JP7082090B2 - 仮想インプラントを調整する方法および関連する手術用ナビゲーションシステム - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の相互参照］
この出願は、米国特許出願第１５／６０９，３３４号の一部継続出願であり、これは、２０１６年５月１８日に出願された米国特許出願第１５／１５７，４４４号の一部継続出願であり、これは、２０１６年４月１１日に出願された米国特許出願第１５／０９５，８８３号の一部継続出願であり、これは、２０１３年１０月２４日に出願された米国特許出願第１４／０６２，７０７号の一部継続出願であり、これは、２０１３年６月２１日に出願された米国特許出願第１３／９２４，５０５号の一部継続出願であり、これは、２０１２年６月２１日に出願された仮出願第６１／６６２，７０２号に対する優先権を主張し、および２０１３年３月１５日に出願された仮出願第６１／８００，５２７号に対する優先権を主張し、これらの全ては、すべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

［技術分野］
本開示は、医療装置に関し、より詳細には、手術用ナビゲーションシステムと関連方法および関連装置に関する。

［背景技術］
医療用撮像システムは、身体の三次元（３Ｄ）ボリュームの画像を生成するために使用され得る。位置認識システムは、３Ｄ）における特定のオブジェクトの位置を決定し、それを追跡するために使用され得る。ロボット支援手術では、例えば、外科用器具のような特定のオブジェクトは、器具がロボットまたは医師によって位置決めされ、動かされるとき、高度の精度で追跡される必要があり得る。

赤外線信号に基づく位置認識システムは、オブジェクトを追跡するために受動および／または能動センサまたはマーカーを使用することができる。受動センサまたはマーカーでは、追跡されるオブジェクトは、反射球状ボールのような受動センサを含むことができ、受動センサは、追跡されるオブジェクトの戦略的位置に配置される。赤外線送信機は信号を送信し、反射球状ボールは信号を反射して、オブジェクトの３次元位置を決定するのを助ける。能動センサまたはマーカーにおいて、追跡されるオブジェクトは、発光ダイオード（ＬＥＤ）などのアクティブ赤外線送信機を含み、したがって、３Ｄ検出のためにそれ自身の赤外線信号を生成する。能動または受動追跡センサのいずれかを用いて、システムは、一つまたは複数の赤外線カメラ、デジタル信号、能動および／または受動センサの既知の位置、距離、応答信号を受信するのに要した時間、他の既知の変数、またはそれらの組み合わせからの情報、またはそれらへの情報に基づいて、能動および／または受動センサの３Ｄ位置を幾何学的に解決する。

したがって、これらの手術システムは、位置フィードバックを利用して、患者の手術部位に対するロボットアームおよびツールの動きを正確に誘導することができる。しかしながら、これらのシステムは、手術の前に一部のツールおよびインプラントの配置を仮想的に計画および準備する能力を欠いている。

［発明の概要］
本発明の概念のいくつかの実施形態では、３次元解剖学的ボリュームに対する撮像情報を使用して画像誘導手術用システムを動作させるための方法が提供され得る。長手方向軸を画定するプローブのポーズは、追跡システムから受信した情報に基づいて検出され得る。３次元解剖学的ボリュームに対する仮想インプラントの配置は、仮想インプラントの軌道がポーズ中のプローブの長手方向軸と整列するように、プローブのポーズに基づいて、および長手方向軸に沿ったプローブの端からのオフセットに基づいて、決定され得る。仮想インプラントの配置を決定した後、仮想インプラントは、仮想インプラントの軌道を維持しながら、プローブの移動に応答して、調整され得る。

本発明の概念のさらに他の実施形態では、３次元解剖学的ボリュームに対する撮像情報を使用する手術用ナビゲーションシステムは、プロセッサおよびプロセッサと結合されたメモリを含み得る。メモリは、その中に保存された命令を含み得る。命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに、追跡システムから受信した情報に基づいて、長手方向軸を画定するプローブのポーズを検出させ得る。命令は、プロセッサによって実行されるとさらに、プロセッサに、仮想インプラントの軌道がポーズ中のプローブの長手方向軸と整列するように、プローブのポーズに基づいて、および長手方向軸に沿ったプローブの端からのオフセットに基づいて、３次元解剖学的ボリュームに対する仮想インプラントの配置を決定させ得る。命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに、仮想インプラントの配置を提供した後、仮想インプラントの軌道を維持しながら、プローブの移動に応答して、仮想インプラントを調整させ得る。

本発明の主題の実施形態による他の方法および関連する撮像および追跡システム、ならびに対応する方法およびコンピュータプログラム製品は、以下の図面および詳細な説明を検討することにより、当業者に明らかであり、または明らかになるであろう。このような撮像および追跡システム、および対応する方法およびコンピュータプログラム製品は全て、本明細書の記載内に含まれ、本発明の主題の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。さらに、本明細書で開示されるすべての実施形態は、別々に実装されてもよく、または任意の方法および／または組み合わせで組み合わされて実装されてもよい。

［図面の簡単な説明］
本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本出願の一部を構成する添付の図面は、本発明の概念の特定の非限定的な実施形態を示す。図面において：
図１は、医療処置中のロボットシステム、患者、医師、および他の医療従事者の位置のあり得る配置の俯瞰図である。

図２は、一部の実施形態による、患者に対する医療ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。

図３は、一部の実施形態による医療ロボットシステムを示す。

図４は、いくつかの実施形態による医療ロボットの一部を示す。

図５は、いくつかの実施形態による医療ロボットのブロック図を示す。

図６は、いくつかの実施形態による医療ロボットを示す。

図７Ａ～７Ｃは、いくつかの実施形態によるエンドエフェクタを示す。

図８は、いくつかの実施形態によるエンドエフェクタのガイドチューブ内に医療器具を挿入する前後の医療器具およびエンドエフェクタを示す。

図９Ａ～９Ｃは、いくつかの実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの一部を示す。

図１０は、いくつかの実施形態による動的基準アレイ、撮像アレイ、および他のコンポーネントを示す。

図１１は、いくつかの実施形態による登録の方法を示す。

図１２Ａ～１２Ｂは、いくつかの実施形態による撮像装置の実施形態を示す。

図１３Ａは、いくつかの実施形態による、ロボットアームとエンドエフェクタとを含むロボットの一部を示す。

図１３Ｂは、エンドエフェクタの拡大図であり、図１３Ａに示すように、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定される。

図１３Ｃは、いくつかの実施形態による、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定されたツールまたは器具である。

図１４Ａは、第一構成の可動追跡マーカーを有するエンドエフェクタの代替バージョンである。

図１４Ｂは、第二の構成の可動追跡マーカーを有する図１４Ａに示すエンドエフェクタである。

図１４Ｃは、図１４Ａの第一の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。

図１４Ｄは、図１４Ｂの第二の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。

図１５Ａは、単一の追跡マーカーのみがその上に固定されたエンドエフェクタの代替バージョンを示す。

図１５Ｂは、ガイドチューブを介して配置された器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示す。

図１５Ｃは、二つの異なる位置に器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示し、器具がガイドチューブ内にまたはガイドチューブの外側に配置されるかどうかを決定するための結果のロジックを示す。

図１５Ｄは、図１５Ａのエンドエフェクタを示すが、器具は、二つの異なるフレームでかつガイドチューブ上の単一の追跡マーカーに対して相対的な距離でガイドチューブ内にある。

図１５Ｅは、座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。

図１６は、ロボットのエンドエフェクタを所望の標的軌道にナビゲートして移動させる方法のブロック図である。

また、図１７Ａおよび１７Ｂは、それぞれ、収縮および拡張位置に固定および可動追跡マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。

また、図１８Ａおよび１８Ｂは、それぞれ、挿入位置および傾斜位置に固定および可動追跡マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。

図１９Ａは、交換可能または代替のエンドエフェクタを含むロボットの一実施形態を示す。

図１９Ｂは、器具スタイルのエンドエフェクタが結合されたロボットの実施形態を示す。

図２０は、いくつかの実施形態による、ロボットコントローラを図示するブロック図である。

図２１は、いくつかの実施形態による、プローブを検出し、仮想インプラントの配置を決定する追跡システムを示す。

図２２は、いくつかの実施形態による、手術用ロボットナビゲーションシステムの例示的な動作を示すフローチャートである。

図２３Ａ～Ｂは、いくつかの実施形態による伸縮式プローブの例である。

図２４Ａ～図２４Ｂは、いくつかの実施形態による、追跡システムによって検出され、仮想インプラントの配置を調整するために使用され得るプローブの移動の例を図示する。

図２５は、いくつかの実施形態による、追跡システムによって検出され、仮想インプラントの配置を調整するために使用され得るプローブの移動の例を図示する。

［発明を実施するための形態］
本開示は、その適用において、本明細書の説明に記載された、または図面に示された構成の詳細およびコンポーネントの配置に限定されないことを理解されたい。本開示の教示は、他の実施形態において使用され、実施され、様々な方法で実施され、または実行されてもよい。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であると見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書中の「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有す（ｈａｖｉｎｇ）」の使用およびそれらの変形は、その後に列挙されるアイテムおよびその等価物ならびに追加のアイテムを含むことを意味する。別段に特定または限定されていない限り、「装着される（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「支持される（ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語およびそれらの変形は、広範に使用され、直接的および間接的な取り付け、接続、支持および結合の両方を包含する。さらに、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。

以下の議論は、当業者が本開示の実施形態を作成し使用することを可能にするために提示される。例解された実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書の原理は、本開示の実施形態から逸脱することなく他の実施形態およびアプリケーションに適用することができる。したがって、実施形態は、示された実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。以下の詳細な説明は、図面を参照して読まれるべきであり、異なる図における同様の要素は、同様の参照番号を有する。必ずしも縮尺通りではない図面は、選択された実施形態を示しており、実施形態の範囲を限定するものではない。当業者は、本明細書で提供される例が多くの有用な代替物を有し、実施形態の範囲内に入ることを認識するであろう。

ここで図面を参照すると、図１および図２は、いくつかの実施形態による医療ロボットシステム１００を示す。医療ロボットシステム１００は、例えば、手術用ロボット１０２と、一つまたは複数のロボットアーム１０４と、基部１０６と、ディスプレイ１１０と、例えばガイドチューブ１１４を含むエンドエフェクタ１１２と、一つまたは複数の追跡マーカー１１８とを含む。医療ロボットシステム１００は、患者２１０に直接（例えば、患者２１０の骨に）固定されるように適合された一つまたは複数の追跡マーカー１１８も含む患者追跡装置１１６を含むことができる。医療ロボットシステム１００は、例えば、カメラスタンド２０２上に位置決めされたカメラ２００を利用することもできる。カメラスタンド２０２は、カメラ２００を所望の位置に移動させ、方向付けし、支持するための任意の適切な構成を有することができる。カメラ２００は、カメラ２００の視点から見ることができる所与の測定ボリューム内にある、例えば能動的および受動的な追跡マーカー１１８（図２の患者追跡装置１１６の一部として示され、図１３Ａ－１３Ｂの拡大図によって示される）を識別することができる、一つまたは複数の赤外線カメラ（例えば、二焦点カメラまたはステレオ写真カメラ）などの適切なカメラを含んでもよい。カメラ２００は、所与の測定ボリュームを走査し、マーカー１１８から来る光を検出して、マーカー１１８の三次元での位置を識別し、決定することができる。例えば、能動マーカー１１８は、電気信号によって作動する赤外線発光マーカー（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））を含むことができ、および／または、受動マーカー１１８は、例えば、カメラ２００上の照明器または他の適切な装置によって発光される、赤外線を反射する再帰反射マーカー（例えば、それらは、入射ＩＲ照射を入射光の方向へ反射する）を含むことができる。

また、図１および図２は、手術室環境における医療ロボットシステム１００の配置のあり得る構成を示す。例えば、ロボット１０２は、患者２１０の近くに、または患者２１０の隣に配置することができる。患者２１０の頭の近くに描かれているが、ロボット１０２は、手術を受ける患者２１０の領域に応じて、患者２１０の近くの任意の適切な場所に配置することができることが理解されよう。カメラ２００は、ロボットシステム１００から分離され、患者２１０の足に配置されてもよい。この位置は、カメラ２００が医療領域２０８に対して視覚的に直接視線を有することを可能にする。ここでも、カメラ２００は、医療領域２０８に対し視線を有する任意の適切な位置に配置することができると考えられる。示された構成では、医師１２０はロボット１０２の反対側に配置されるが、依然としてエンドエフェクタ１１２およびディスプレイ１１０を操作することができる。医療助手１２６もエンドエフェクタ１１２とディスプレイ１１０の両方にアクセスできるよう、医師１２０の反対側に、配置することができる。必要に応じて、医師１２０と助手１２６の位置を逆にしてもよい。麻酔医１２２および看護師または手術室技師１２４のための従来からの領域は、ロボット１０２およびカメラ２００の位置によって妨げられないままであり得る。

ロボット１０２の他のコンポーネントに関して、ディスプレイ１１０は、医療ロボット１０２に取り付けることができ、いくつかの実施形態では、ディスプレイ１１０は、医療ロボット１０２から離され、医療ロボット１０２と一緒に手術室（またはその他の医療施設）内か、または、遠隔地に置かれる。エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合され、少なくとも一つのモータによって制御されてもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、患者２１０上で使用される医療器具６０８（本明細書でさらに説明する）を受け入れて配向することができるガイドチューブ１１４を含むことができる。本明細書で使用される用語「エンドエフェクタ」は、「エンドエフェクチュエータ」および「エフェクチュエータ要素」という用語と交換可能に使用される。概してガイドチューブ１１４で示されるが、エンドエフェクタ１１２は、外科手術での使用に適した任意の適切な器具で置き換えることができることが理解されよう。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２は、医療器具６０８の移動を所望の方法で行うための任意の既知の構造を含むことができる。

医療ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２の並進および配向を制御することができる。ロボット１０２は、例えば、エンドエフェクタ１１２をｘ、ｙ、ｚ軸に沿って移動させることができる。エンドエフェクタ１１２は、（エンドエフェクタ１１２に関連するオイラーアングル（例えば、ロール、ピッチ、および／またはヨー）の一つまたは複数が選択的に制御できるように）ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の一つまたは複数、およびｚフレーム軸の回りに選択的に回転するよう構成することができる。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２の並進および配向の選択的制御は、例えば、回転軸のみを含む６自由度のロボットアームを利用する従来のロボットと比較して、大幅に改善された正確性を有する医療処置の実行を可能にする。例えば、医療ロボットシステム１００は、医療撮像を提供する、および／または患者２１０上で動作するために使用され、ロボットアーム１０４は患者２１０の身体の上方に位置決めされ、エンドエフェクタ１１２は患者２１０の身体に向かってｚ軸に対して選択的に角度付けされ得る。

いくつかの実施形態では、医療器具６０８の位置を動的に更新して、医療ロボット１０２が手術中に医療器具６０８の位置を常に知ることができるようにすることができる。その結果、いくつかの実施形態では、医療ロボット１０２は、（医師が望む場合を除いて）医療器具６０８を医師のさらなる助けなしに素早く所望の位置に移動させることができる。さらなるいくつかの実施形態では、医療器具６０８が選択されたあらかじめ計画された軌道から逸脱する場合、医療器具６０８の経路を修正するように医療ロボット１０２を構成することができる。いくつかの実施形態では、医療ロボット１０２は、エンドエフェクタ１１２および／または医療器具６０８の動きの停止、変更、および／または手動制御を可能にするように構成され得る。したがって、使用中、いくつかの実施形態では、医師または他のユーザは、システム１００を操作することができ、エンドエフェクタ１１２および／または医療器具６０８の自律移動を停止、修正、または手動で制御する選択肢を有する。医療ロボット１０２による医療器具６０８の制御および移動を含む医療ロボットシステム１００のさらなる詳細は、同時係属中の米国特許出願番号１３／９２４，５０５に見出すことができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ロボット医療システム１００は、ロボットアーム１０４、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および／または医療器具６０８の三次元での移動を追跡するように構成される一つまたは複数の追跡マーカー１１８を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカー１１８を、例えばロボット１０２の基部１０６上、ロボットアーム１０４上、および／または、エンドエフェクタ１１２上等のロボット１０２の外面に取り付ける（そうでなければ固定する）ことができるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、複数の追跡マーカー１１８のうちの少なくとも一つの追跡マーカー１１８をエンドエフェクタ１１２に取り付けるか、または別の方法で固定することができる。一つまたは複数の追跡マーカー１１８は、患者２１０にさらに取り付けてもよい（または別の方法で固定されてもよい）。いくつかの実施形態では、医師、医療ツール、またはロボット１０２の他の部分によって不明瞭になる可能性を低減するために、複数の追跡マーカー１１８を医療領域２０８から離れた患者２１０上に配置することができる。さらに、一つまたは複数の追跡マーカー１１８を医療ツール６０８（例えば、超音波トランスデューサ、スクリュードライバ、拡張器、インプラント挿入器など）にさらに取り付ける（または別の方法で固定する）ことができる。したがって、追跡マーカー１１８は、マークされたオブジェクト（例えば、エンドエフェクタ１１２、患者２１０、および医療ツール６０８）のそれぞれをロボット１０２によって追跡することを可能にする。いくつかの実施形態では、システム１００は、マークされたオブジェクトのそれぞれから収集された追跡情報を使用して、例えばエンドエフェクタ１１２、医療器具６０８（例えば、エンドエフェクタ１１２のチューブ１１４内に配置される）の配向と位置および患者２１０の相対位置計算することができる。

マーカー１１８は、放射線不透過性または光学マーカーを含むことができる。マーカー１１８は、球形、回転楕円形、円筒形、立方体、直方体などを含む適切な形状にすることができる。いくつかの実施形態では、一つまたは複数のマーカー１１８は光学マーカーであってもよい。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２上の一つまたは複数の追跡マーカー１１８の位置決めは、エンドエフェクタ１１２の位置を確認または確認するよう機能することによって、位置測定の精度を増大／最大にすることができる。医療ロボット１０２および医療器具６０８の制御、移動および追跡を含む医療ロボットシステム１００のさらなる詳細は、米国特許出願第２０１６／０２４２８４９号に見つけることができ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

いくつかの実施形態は、医療器具６０８に結合された一つまたは複数のマーカー１１８を含む。いくつかの実施形態では、例えば、患者２１０および医療器具６０８に結合されたこれらのマーカー１１８、ならびにロボット１０２のエンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、従来の赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）、またはＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）のような市販の赤外線光学追跡システムを使用して追跡可能なＯｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）ダイオードを含むことができる。Ｏｐｔｏｔｒａｋ（登録商標）は、カナダ、オンタリオ州、ウォータールーのＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．の登録商標である。他の実施形態では、マーカー１１８は、Ｐｏｌａｒｉｓ Ｓｐｅｃｔｒａなどの市販の光学追跡システムを使用して追跡することができる従来の反射球を含むことができる。Ｐｏｌａｒｉｓ ＳｐｅｃｔｒａはＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ，Ｉｎｃ．の登録商標である。いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ１１２に結合されたマーカー１１８は、オンおよびオフにすることができる赤外線発光ダイオードを含む能動マーカーであり、患者２１０および医療器具６０８に結合されたマーカー１１８は受動反射球体を含む。

いくつかの実施形態では、マーカー１１８から放射された、および／またはマーカー１１８によって反射された光は、カメラ２００によって検出され、マークされたオブジェクトの位置および動きを監視するために使用され得る。代替的な実施形態では、マーカー１１８は、無線周波数および／または電磁気反射器または受信機を含むことができ、カメラ２００は、無線周波数および／または電磁気受信機を含むか、またはそれらに置き換えることができる。

医療ロボットシステム１００と同様に、図３は、本開示のいくつかの実施形態に従う、ドッキングされた構成の医療ロボットシステム３００およびカメラスタンド３０２を示す。医療ロボットシステム３００は、ディスプレイ３０４と、上アーム３０６と、下アーム３０８と、エンドエフェクタ３１０と、縦柱３１２と、キャスター３１４と、キャビネット３１６と、タブレット引出し３１８と、コネクタパネル３２０と、制御パネル３２２と、情報のリング３２４とを含むロボット３０１を含む。カメラスタンド３０２は、カメラ３２６を含むことができる。これらのコンポーネントは、図５を参照してより拡大して説明される。図３は、例えば使用されていないときに、カメラスタンド３０２がロボット３０１と入れ子になっているドッキング構成の医療ロボットシステム３００を示す。当業者であれば、カメラ３２６およびロボット３０１は、互いに分離され、医療処置中に、例えば、図１および図２に示されるように、任意の適切な位置に配置され得ることが理解されよう。

図４は、本開示のいくつかの実施形態と一致する基部４００を示す。基部４００は、医療ロボットシステム３００の一部であってもよく、キャビネット３１６を含んでもよい。キャビネット３１６は、バッテリ４０２、電力分配モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、コンピュータ４０８、ハンドル４１２、およびタブレット引出し４１４を含むがこれに限定されない医療ロボットシステム３００の特定のコンポーネントを収容することができる。これらのコンポーネント間の接続および関係は、図５を参照してより詳細に説明される。

図５は、医療ロボットシステム３００のいくつかの実施形態の特定のコンポーネントのブロック図を示す。医療ロボットシステム３００は、プラットフォームサブシステム５０２、コンピュータサブシステム５０４、動作制御サブシステム５０６、および追跡サブシステム５３２を含むことができる。プラットフォームサブシステム５０２は、バッテリ４０２、電力分配モジュール４０４、プラットフォームインターフェースボードモジュール４０６、およびタブレット充電ステーション５３４をさらに含むことができる。コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、およびスピーカ５３６をさらに含むことができる。動作制御サブシステム５０６は、駆動回路５０８、モータ５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、安定器５２０、５２２、５２４、５２６、エンドエフェクタ３１０、およびコントローラ５３８をさらに含むことができる。追跡サブシステム５３２は、位置センサ５４０およびカメラ変換器５４２をさらに含むことができる。システム３００はまた、フットペダル５４４およびタブレット５４６を含むことができる。

入力電力は、電力分配モジュール４０４に供給され得る電源５４８を介してシステム３００に供給される。電力分配モジュール４０４は、入力電力を受け取り、システム３００の他のモジュール、コンポーネント、およびサブシステムに提供される異なる電源供給電圧を生成するように構成される。電力分配モジュール４０４は、プラットフォームインターフェースモジュール４０６に異なる電圧を供給するように構成することができるが、電圧は、コンピュータ４０８、ディスプレイ３０４、スピーカ５３６、例えば電力モータ５１２、５１４、５１６、５１８およびエンドエフェクタ３１０のドライバ５０８、モータ５１０、リング３２４、カメラ変換器５４２、およびシステム３００のための他のコンポーネント（例えばキャビネット３１６内の電気部品を冷却するためのファン）、などの他のコンポーネントに提供することができる。

電力分配モジュール４０４はまた、タブレット引出し３１８内に配置され得るタブレット充電ステーション５３４などの他のコンポーネントに電力を供給し得る。タブレット充電ステーション５３４は、テーブル５４６の充電のために、タブレット５４６との無線または有線通信してもよい。タブレット５４６は、本開示と一致し、本明細書に記載される医師によって使用され得る。

電力分配モジュール４０４は、電力分配モジュール４０４が入力電力５４８から電力を受け取らない場合に一時的な電源として働くバッテリ４０２に接続されてもよい。他の時には、電力分配モジュール４０４は、必要に応じてバッテリ４０２を充電するように働くことができる。

プラットフォームサブシステム５０２の他のコンポーネントは、コネクタパネル３２０、制御パネル３２２、およびリング３２４も含むことができる。コネクタパネル３２０は、異なる装置およびコンポーネントをシステム３００および／または関連するコンポーネントおよびモジュールに接続するように機能することができる。コネクタパネル３２０は、異なるコンポーネントからラインまたは接続を受ける一つまたは複数のポートを含むことができる。例えば、コネクタパネル３２０は、システム３００を他の機器に接地する接地端子ポート、フットペダル５４４をシステム３００に接続するポート、追跡サブシステム５３２（位置センサ５４０、カメラ変換器５４２、カメラスタンド３０２に関連するカメラ３２６と、を含むことができる）に接続するポートを有することができる。コネクタパネル３２０は、コンピュータ４０８のような他のコンポーネントへのＵＳＢ、イーサネット（登録商標）、ＨＤＭＩ（登録商標）通信を可能にする他のポートを含むこともできる。

制御パネル３２２は、システム３００の動作を制御する、および／またはシステム３００に関する情報を提供する様々なボタンまたはインジケータを提供することができる。例えば、制御パネル３２２は、システム３００の電源をオンまたはオフするためのボタン、縦柱３１２を上げるか、または下げるためのボタン、およびシステム３００を物理的に移動させるのを防ぐためにキャスター３１４に係合するように設計された安定器５２０～５２６を上げるかまたは下げるためのボタンを含むことができる。緊急事態が発生した場合には、他のボタンがシステム３００を停止させてもよいが、これによりすべてのモータ動力が除去され、機械的ブレーキが加えられてすべての動作が停止する。制御パネル３２２はまた、バッテリ４０２のライン電力インジケータまたは充電状態などの特定のシステム状態をユーザに通知するインジケータを有することができる。

リング３２４は、システム３００のユーザに、システム３００が動作している異なるモードおよびユーザに対するある種の警告を通知する視覚的インジケータとすることができる。

コンピュータサブシステム５０４は、コンピュータ４０８と、ディスプレイ３０４と、スピーカ５３６とを含む。コンピュータ５０４は、システム３００を動作させるオペレーティングシステムと、ソフトウェアとを含む。コンピュータ５０４は、ユーザに情報を表示するために、他のコンポーネント（例えば、追跡サブシステム５３２、プラットフォームサブシステム５０２、および／または動作制御サブシステム５０６）から情報を受信し処理することができる。さらに、コンピュータサブシステム５０４は、ユーザにオーディオを提供するスピーカ５３６を含むこともできる。

追跡サブシステム５３２は、位置センサ５０４と変換器５４２とを含むことができる。追跡サブシステム５３２は、図３に関して説明したカメラ３２６を含むカメラスタンド３０２に対応することができる。位置センサ５０４は、カメラ３２６であってもよい。追跡サブシステムは、医療処置中にユーザが使用するシステム３００の異なるコンポーネントおよび／または器具上に位置する特定のマーカーの位置を追跡することができる。この追跡は、それぞれ、ＬＥＤまたは反射マーカーなどの能動または受動素子の位置を追跡する赤外線技術の使用を含む、本開示と一致する方法で行われてもよい。これらのタイプのマーカーを有する構造体の位置、配向、および配置は、ディスプレイ３０４上のユーザに示されるコンピュータ４０８に提供されてもよい。例えば、これらのタイプのマーカーを有し、このようにして（ナビゲーション空間と呼ぶことができる）追跡される医療器具６０８は、患者の解剖学的構造の三次元画像に関連してユーザに示されてもよい。

動作制御サブシステム５０６は、縦柱３１２、上アーム３０６、下アーム３０８、を物理的に移動させ、または回転エンドエフェクタ３１０回転させるように構成することができる。物理的な移動は、一つまたは複数のモータ５１０～５１８の使用を通じて行うことができる。例えば、モータ５１０は縦柱３１２を垂直に持ち上げるかまたは下降させるように構成することができる。モータ５１２は、図３に示すように、縦柱３１２との係合点の周りで上アーム３０８を横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１４は、図３に示すように、下アーム３０８を上アーム３０８との係合点の周りで横方向に移動させるように構成することができる。モータ５１６および５１８は、ひとつがロールを制御し、ひとつが傾斜を制御して、エンドエフェクタ３１０を移動させるように構成することができ、それによって、エンドエフェクタ３１０を移動させることができる複数の角度を提供することができる。これらの動きは、エンドエフェクタ３１０上に配置され、ユーザが所望の方法でシステム３００を移動させるためにこれらのロードセルに係合することによって起動される、ロードセルを介してこれらの動きを制御するコントローラ５３８によって達成され得る。

さらに、システム３００は、ディスプレイ３０４（タッチスクリーン入力装置とすることができる）上でユーザがディスプレイ３０４上の患者の解剖学的構造の三次元画像上の医療器具または構成要素の位置を示すことにより、縦柱３１２、上アーム３０６、および下アーム３０８の自動移動を提供することができる。ユーザは、フットペダル５４４またはいくつかの他の入力手段を踏んでこの自動移動を開始することができる。

図６は、いくつかの実施形態による医療ロボットシステム６００を示す。医療ロボットシステム６００はと、エンドエフェクタ６０２と、ロボットアーム６０４と、ガイドチューブ６０６と、器具６０８と、ロボット基部６１０とを含むことができる。器具ツール６０８は、一つまたは複数の追跡マーカー（マーカー１１８など）を含む追跡アレイ６１２に取り付けられ、関連する軌道６１４を有することができる。軌道６１４は、ガイドチューブ６０６を通って位置決めされるかまたは固定されると、器具ツール６０８が移動するように構成される移動経路（例えば器具ツール６０８が患者に挿入される経路など）を表すことができる。動作では、ロボット基部６１０は、ロボットアーム６０４およびエンドエフェクタ６０２と電子的に通信するように構成され、医療ロボットシステム６００は、患者２１０上で動作する際、ユーザ（例えば医師）を支援する。医療ロボットシステム６００は、前述した医療ロボットシステム１００および３００と一致し得る。

追跡アレイ６１２は、器具ツール６０８の位置および配向を監視するために、器具６０８に据え付けられてもよい。追跡アレイ６１２は、器具６０８に取り付けられてもよく、追跡マーカー８０４を含んでもよい。図８に最もよく示されるように、追跡マーカー８０４は、例えば、発光ダイオードおよび／または他のタイプの反射マーカー（例えば、本明細書の別の場所で説明したマーカー１１８）であってもよい。追跡装置は、医療ロボットシステムに関連する一つまたは複数の視線装置であってもよい。例として、追跡装置は、医療ロボットシステム１００、３００に関連する一つまたは複数のカメラ２００、３２６であってもよく、ロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、エンドエフェクタ６０２、および／または患者２１０に関連して器具６０８の定義された領域または相対的な配向について追跡アレイ６１２を追跡してもよい。追跡装置は、カメラスタンド３０２および追跡サブシステム５３２に関連して説明した構造と一致していてもよい。

また、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃは、いくつかの実施形態によるエンドエフェクタ６０２の上面図、正面図、および側面図をそれぞれ示す。エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数の追跡マーカー７０２を含むことができる。追跡マーカー７０２は、発光ダイオードまたは他のタイプの能動および受動マーカー、例えば前述の追跡マーカー１１８であってもよい。いくつかの実施形態では、追跡マーカー７０２は、電気信号（例えば、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ））によって起動される能動赤外線発光マーカーである。したがって、追跡マーカー７０２は、赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６に見えるようにアクティブにしてもよい、または赤外線マーカー７０２がカメラ２００、３２６には見えないように非アクティブにしてもよい。したがって、マーカー７０２がアクティブであるとき、エンドエフェクタ６０２はシステム１００、３００、６００によって制御され、マーカー７０２が非アクティブ化されると、エンドエフェクタ６０２は所定の位置にロックされ、システム１００、３００、６００によっては動くことができない。

マーカー７０２は、マーカー７０２が一つまたは複数のカメラ２００、３２６、または医療ロボットシステム１００、３００、６００に関連する他の追跡装置によって視認されるように、エンドエフェクタ６０２の上または内部に配置されてもよい。カメラ２００、３２６または他の追跡装置は、追跡マーカー７０２の移動に追従して異なる位置および視野角に移動するときにエンドエフェクタ６０２を追跡することができる。マーカー７０２および／またはエンドエフェクタ６０２の位置は、医療ロボットシステム１００、３００、６００に関連するディスプレイ１１０、３０４、例えば図２に示すディスプレイ１１０および／または図３に示すディスプレイ３０４に示されてもよい。このディスプレイ１１０、３０４により、ユーザは、エンドエフェクタ６０２がロボットアーム６０４、ロボット基部６１０、患者２１０、および／またはユーザに対して望ましい位置にあることを確実にすることができる。

例えば、図７Ａに示すように、医療領域２０８から離れて配置され、ロボット１０２、３０１およびカメラ２００、３２６の方を向いている追跡装置が、追跡装置に対するエンドエフェクタ６０２の一般的な配向の範囲を通って少なくとも３つのマーカー７０２を見ることができるよう、マーカー７０２はエンドエフェクタ６０２の表面の周りに配置され得る。例えば、このようにマーカー７０２を分布させることにより、エンドエフェクタ６０２が医療領域２０８内で移動および回転されるときに、追跡装置によってエンドエフェクタ６０２を監視することが可能になる。

さらに、いくつかの実施形態では、エンドエフェクタ６０２は、外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができているときを検出することができる赤外線（ＩＲ）受信機を含むことができる。この検出に際して、エンドエフェクタ６０２はマーカー７０２を照らすことができる。外部カメラ２００、３２６がマーカー７０２を読み取る準備ができていることをＩＲ受信機が検出することにより、発光ダイオードであってもよいマーカー７０２のデューティサイクルを外部カメラ２００、３２６に同期させる必要があることを知らせることができる。これはまた、全体としてロボットシステムによるより低い電力消費を可能にすることができ、それにより、マーカー７０２は、連続的に照射される代わりに適切な時間にのみ照射される。さらに、いくつかの実施形態では、マーカー７０２の電源をオフにして、異なるタイプの医療器具６０８などの他のナビゲーションツールとの干渉を防止することができる。

図８は、追跡アレイ６１２および追跡マーカー８０４を含む一つのタイプの医療器具６０８を示す。追跡マーカー８０４は発光ダイオードまたは反射球を含む、本明細書に記載された任意のタイプのものでよいが、これに、限定するものではない。マーカー８０４は、医療ロボットシステム１００、３００、６００に関連する追跡装置によって監視され、一つまたは複数の視線カメラ２００、３２６であってもよい。カメラ２００、３２６は、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４の位置および配向に基づいて器具６０８の位置を追跡することができる。医師１２０のようなユーザは、追跡アレイ６１２およびマーカー８０４が、追跡装置またはカメラ２００、３２６によって十分に認識され、器具６０８およびマーカー８０４を、例えば医療ロボットシステムのディスプレイ１１０上に表示するように器具６０８を向けることができる。

医師１２０が器具６０８をエンドエフェクタ６０２のガイドチューブ６０６内に配置し、器具６０８を調整する方法は、図８において明らかである。エンドエフェクタ１１２、３１０、６０２の中空チューブまたはガイドチューブ１１４、６０６は、医療器具６０８の少なくとも一部分を受容するような大きさおよび構成を有する。ガイドチューブ１１４、６０６は、医療器具６０８の挿入および軌道が患者２１０の体内または体上の所望の解剖学的標的に到達できるように、ロボットアーム１０４によって方向付けられるように構成される。医療器具６０８は、略円筒形の器具の少なくとも一部を含み得る。スクリュードライバが医療ツール６０８として例示されるが、任意の適切な医療ツール６０８がエンドエフェクタ６０２によって位置決めされてもよいことは理解されよう。一例として、医療器具６０８は、一つまたは複数のガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツールなどを含み得る。中空チューブ１１４、６０６は全体として円筒形状を有するものとして示されるが、当業者であれば、ガイドチューブ１１４、６０６は、医療器具６０８を収容し、医療部位にアクセスするのに望ましい任意の適切なサイズおよび構成を有することができる。

また、図９Ａ～図９Ｃは、いくつかの実施形態によるエンドエフェクタ６０２およびロボットアーム６０４の一部を示す。エンドエフェクタ６０２は、本体１２０２およびクランプ１２０４をさらに含むことができる。クランプ１２０４は、ハンドル１２０６、ボール１２０８、バネ１２１０、およびリップ１２１２を含むことができる。ロボットアーム６０４は、窪み１２１４、取り付けプレート１２１６、リップ１２１８、および磁石１２２０をさらに含むことができる。

エンドエフェクタ６０２は、一つまたは複数のカップリングを介して医療ロボットシステムおよびロボットアーム６０４と機械的にインターフェースおよび／または係合することができる。例えば、エンドエフェクタ６０２は、位置決めカップリングおよび／または補強カップリングを介してロボットアーム６０４と係合することができる。これらの結合によって、エンドエフェクタ６０２は、可撓性で無菌の障壁の外側でロボットアーム６０４に固定することができる。いくつかの実施形態では位置決めカップリングは磁気キネマティックマウントであってもよく、補強カップリングは五つの棒状オーバーセンタクランピングリンク機構であってもよい。

位置決めカップリングに関して、ロボットアーム６０４は、非磁性材料、一つまたは複数の窪み１２１４、リップ１２１８、および磁石１２２０であってもよい取り付けプレート１２１６を含むことができる。磁石１２２０は、窪み１２１４の各々の下に取り付けられている。クランプ１２０４の部分は、磁性材料を含み、一つまたは複数の磁石１２２０によって引き付けられる。クランプ１２０４およびロボットアーム６０４の磁気吸引により、ボール１２０８はそれぞれの窪み１２１４内に着座するようになる。例えば、図９Ｂに示すボール１２０８は、図９Ａに示すように、窪み１２１４内に着座する。この座は、磁気アシストキネマティックカップリングと考えることができる。磁石１２２０は、エンドエフェクタ６０２の配向にかかわらず、エンドエフェクタ６０２の全重量を支持するのに十分な強度を有するように構成することができる。位置決めカップリングは、６自由度を一意的に制限する任意のスタイルのキネマティックマウントである。

補強カップリングに関して、クランプ１２０４の部分は、固定接地リンクとなるように構成することができ、そのようなクランプ１２０４は、五つの棒状リンク機構として機能することができる。リップ１２１２およびリップ１２１８が、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４を固定するようにクランプ１２０４に係合するとき、閉鎖クランプハンドル１２０６は、エンドエフェクタ６０２をロボットアーム６０４に固定してもよい。クランプハンドル１２０６が閉じられているとき、クランプ１２０４がロック位置にある間、バネ１２１０は伸張されてもよいし応力が加えられてもよい。ロック位置は、中心を過ぎたリンク機構を提供する位置であってもよい。クランプ１２０４を解放するためにクランプハンドル１２０６に適用される力がない場合には、リンク機構は開かない。したがって、ロック位置において、エンドエフェクタ６０２は、ロボットアーム６０４にしっかりと固定され得る。

バネ１２１０は、張力のある湾曲ビームであってもよい。バネ１２１０は、未使用のＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のような高い剛性と高降伏歪みを示す材料で構成することができる。エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のリンク機構は、二つのカップリングの締結を妨げることなく、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間の無菌バリアを提供し得る。

補強カップリングは、複数のバネ部材とのリンク機構であってもよい。補強カップリングは、カムまたは摩擦に基づく機構でラッチすることができる。補強カップリングは、エンドエフェクタ１０２をロボットアーム６０４に固定するのを支援する、十分に強力な電磁石であってもよい。補強カップリングは、エンドエフェクタ６０２とロボットアーム６０４との間のインターフェースを滑り、ねじ機構、オーバーセンタリンク機構、または、カム機構で固定するエンドエフェクタ６０２および／またはロボットアーム６０４から完全に分離する多数のカラーであってもよい。

図１０および図１１を参照すると、医療処置の前または間に、ナビゲーション空間および画像空間の両方において、患者２１０のオブジェクトおよび標的解剖学的構造を追跡するために、特定の登録手順が実施されてもよい。図１０に示すように、このような登録を行うため、登録システム１４００を使用することができる。

患者２１０の位置を追跡するために、患者追跡装置１１６は、患者２１０の硬い解剖学的構造に固定されることになる患者固定器具１４０２を含み得、動的基準ベース（ＤＲＢ）１４０４は、患者固定器具１４０２に固定的に取り付けられてもよい。例えば、患者固定器具１４０２は、動的基準ベース１４０４の開口部１４０６に挿入されてもよい。動的基準ベース１４０４は、追跡サブシステム５３２のような追跡装置に見えるマーカー１４０８を含むことができる。これらのマーカー１４０８は、本明細書で前述したように、光学マーカーまたは追跡マーカー１１８などの反射球であってもよい。

患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い解剖学的構造に取り付けられ、医療処置中に取り付けられたままであり得る。いくつかの実施形態では、患者固定器具１４０２は、患者２１０の硬い領域、例えば、医療処置の対象となる標的解剖学的構造から離れて位置する骨に取り付けられる。標的解剖学的構造を追跡するために、動的基準ベース１４０４は、動的基準ベース１４０４を標的解剖学的構造の位置で登録するために、標的解剖学的構造上またはその付近に一時的に配置される登録固定具の使用を通して、標的解剖学的構造と関連する。

登録固定具１４１０は、枢動アーム１４１２を使用して患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、患者固定器具１４０２を登録固定具１４１０の開口部１４１４に挿入することによって患者固定器具１４０２に取り付けられる。枢動アーム１４１２は、例えば、枢動アーム１４１２の開口部１４１８にノブ１４１６を挿入することによって、登録固定具１４１０に取り付けられる。

枢動アーム１４１２を使用して、登録固定具１４１０を標的解剖学的構造の上に配置することができ、その位置は、登録固定具１４１０上の追跡マーカー１４２０および／または基準１４２２を使用して画像空間およびナビゲーション空間において決定することができる。登録固定具１４１０は、ナビゲーション空間で見えるマーカー１４２０の集合を含むことができる（例えば、マーカー１４２０は、追跡サブシステム５３２によって検出可能であり得る）。追跡マーカー１４２０は、本明細書で前述したように、赤外光で可視的な光学マーカーであってもよい。登録固定具１４１０は、撮像空間（例えば、三次元ＣＴ画像）内で視認可能な、例えばベアリングボールなどの基準点１４２２の集合体を含むこともできる。図１１を参照してより詳細に説明するように、登録固定具１４１０を使用して、標的解剖学的構造を動的基準ベース１４０４に関連付けることができ、それにより、解剖学的構造の画像にナビゲーション空間内のオブジェクトの描写を重ね合わせることができる。標的解剖学的構造から離れた位置に配置された動的基準ベース１４０４は、基準点となり、それにより、登録固定具１４１０および／または枢動アーム１４１２を医療領域から除去することができる。

図１１は、本開示による、登録のための方法１５００を提供する。方法１５００は、ステップ１５０２から始まり、標的解剖学的構造のグラフィカル表現（または画像）をシステム１００、３００、６００、例えばコンピュータ４０８にインポートすることができる。このグラフィカル表現は、登録固定具１４１０および検出可能な基準の撮像パターン１４２０を含む、患者２１０の標的解剖学的構造の三次元ＣＴまたは蛍光透視スキャンであってもよい。

ステップ１５０４において、基準点１４２０の撮像パターンが検出され、撮像空間に登録され、コンピュータ４０８に記憶される。任意選択的に、ステップ１５０６においてこの時点で、登録固定具１４１０のグラフィカル表現を、標的解剖学的構造の画像上に重ねることができる。

ステップ１５０８では、マーカー１４２０を認識することによって、登録固定具１４１０のナビゲーションパターンが検出され、登録される。マーカー１４２０は、位置センサ５４０を介して追跡サブシステム５３２によって赤外線によってナビゲーション空間内で認識される光学マーカーであってもよい。したがって、標的解剖学的構造の位置、配向、および他の情報がナビゲーション空間に登録される。したがって、登録固定具１４１０は、基準点１４２２の使用による画像空間およびマーカー１４２０の使用によるナビゲーション空間の両方で認識され得る。ステップ１５１０で、画像空間における登録固定具１４１０の登録がナビゲーション空間に転送される。この転送は、例えば、マーカー１４２０のナビゲーションパターンの位置と比較した基準１４２２の撮像パターンの相対位置を使用することによって行われる。

ステップ１５１２において、登録固定具１４１０のナビゲーション空間の登録（画像空間で登録される）は、さらに、患者固定器具１４０２に取り付けられた動的登録アレイ１４０４のナビゲーション空間に転送される。したがって、ナビゲーション空間が画像空間に関連付けられているため、登録固定具１４１０を除去し、動的基準ベース１４０４を使用して、ナビゲーション空間および画像空間の両方の標的解剖学的構造を追跡することができる。

ステップ１５１４および１５１６において、ナビゲーション空間は、ナビゲーション空間において認識できるマーカー（例えば、光学マーカー８０４を用いる医療器具６０８）を用いて、画像空間およびオブジェクト上に重ね合わせてもよい。オブジェクトは、標的解剖学的構造の画像上の医療器具６０８のグラフィカル表現を通して追跡することができる。

また、図１２Ａ～図１２Ｂは、患者２１０の術前、手術中、手術後、および／またはリアルタイム画像データを取得するためにロボットシステム１００、３００、６００と共に使用され得る撮像装置１３０４を示す。任意の適切な主題は、撮像システム１３０４を使用して、任意の適切な手順のために画像化することができる。撮像システム１３０４は、撮像装置１３０６および／またはＣ－アーム１３０８装置などの任意の撮像装置とすることができる。ｘ線システムで必要とされる患者２１０の頻繁な手動の再位置決めの必要性なしに、いくつかの異なる位置から患者２１０のｘ線を取得することが望ましい場合がある。図１２Ａに示すように、撮像システム１３０４は、「Ｃ」字形の対向する遠位端１３１２で終端する細長いＣ字形部材を含むＣ－アーム１３０８の形態であってもよい。Ｃ字形部材１１３０は、ｘ線源１３１４および画像レセプタ１３１６をさらに含むことができる。アームのＣ－アーム１３０８内の空間は、医師がｘ線支持構造１３１８からの干渉が実質的にない患者を診断するための余地を提供することができる。図１２Ｂに示すように、撮像システムは、図示されていない画像取り込み部を取り囲むことができるホイール１３３２を含むホイール付き移動カート１３３０のような、支持構造撮像装置支持構造１３２８に取り付けられたガントリハウジング１３２４を参照すると、固定および可動有する撮像装置１３０６を含むことができる。画像取り込み部は、互いに約１８０度に配置され、画像取り込み部の追跡に対して回転子（図示せず）に取り付けられたｘ線源および／または放出部と、ｘ線受取りおよび／または画像受取り部とを含むことができる。画像取り込み部は、画像取得中に３６０度回転するように動作可能であってもよい。画像取り込み部は、中心点および／または軸の周りを回転することができ、患者２１０の画像データを複数の方向からまたは複数の平面において取得することを可能にする。特定の撮像システム１３０４が本明細書で例示されるが、任意の適切な撮像システムが当業者によって選択されてもよいことは理解されよう。

ここで図１３Ａ～図１３Ｃを参照すると、医療ロボットシステム１００、３００、６００は、所望の医療領域に対するエンドエフェクタ１１２、６０２、医療器具６０８、および／または患者２１０（例えば、患者追跡装置１１６）の正確な位置決めに依存する。図１３Ａ～図１３Ｃに示す実施形態では、を参照すると、追跡マーカー１１８、８０４は、器具６０８および／またはエンドエフェクタ１１２の一部分に固定的に取り付けられている。

図１３Ａは、基部１０６、ロボットアーム１０４、およびエンドエフェクタ１１２を含むロボット１０２を含む医療ロボットシステム１００の一部を示す。ディスプレイ、カメラなどの図示されていない他の要素もまた、本明細書で説明するように存在してもよい。図１３Ｂは、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２と、エンドエフェクタ１１２にしっかりと固定された複数の追跡マーカー１１８の拡大図を示す。この実施形態では、複数の追跡マーカー１１８がガイドチューブ１１２に取り付けられている。図１３Ｃは、器具６０８にしっかりと固定された複数の追跡マーカー８０４を有する器具６０８（この場合、プローブ６０８Ａ）を示す。本明細書の他の箇所に記載されるように、器具６０８は、ガイドワイヤ、カニューレ、レトラクタ、ドリル、リーマ、スクリュードライバ、挿入ツール、除去ツール、などの適切な医療器具を含み得るが、それらに限定されない。

器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクトを追跡する場合、追跡マーカー１１８、８０４のアレイは、ツール６０８またはエンドエフェクタ１１２の一部に固定的に取り付けられてもよい。追跡マーカー１１８、８０４は、マーカー１１８、８０４がじゃまにならない（例えば、医療手術、視界などを妨げない）ように取り付けられることが好ましい。マーカー１１８、８０４は、例えば、アレイ６１２を用いて、器具６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトに固定されてもよい。通常、三つまたは四つのマーカー１１８、８０４がアレイ６１２と共に使用される。アレイ６１２は、直線部分、クロスピースを含むことができ、マーカー１１８、８０４が互いに異なる相対位置および位置にあるように非対称であってもよい。例えば、図１３Ｃに示すように、４－マーカー追跡アレイ６１２を有するプローブ６０８Ａが示されており、図１３Ｂは、異なる４マーカー追跡アレイ６１２を有するエンドエフェクタ１１２を示す。

図１３Ｃでは、追跡アレイ６１２は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０として機能する。したがって、四つのマーカー８０４は、プローブ６０８Ａのハンドル６２０に取り付けられ、シャフト６２２および先端６２４から離れている。これらの四つのマーカー８０４の立体写真測量による追跡は、器具６０８を剛体として追跡することを可能にし、追跡システム１００、３００、６００が、プローブ６０８Ａが追跡カメラ２００、３２６の前方動かされる間に先端６２４の位置およびシャフト６２２の配向を正確に決定することができる。

一つまたは複数のツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または３Ｄで追跡される他のオブジェクト（例えば、複数の剛体）の自動追跡を可能にするために、各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２などのマーカー１１８、８０４が、既知のマーカー間間隔で非対称に配置される。非対称アラインメントの理由は、どのマーカー１１８、８０４が剛体上の特定の位置に対応するか、マーカー１１８、８０４が正面または背面から見られているかどうか、すなわち鏡像化されるかは明瞭にするためである。例えば、マーカー１１８、８０４がツール６０８またはエンドエフェクタ１１２上の正方形に配置されていた場合、どのマーカー１１８、８０４が正方形のどの隅に対応するかは、システム１００、３００、６００にとっては不明である。例えば、プローブ６０８Ａの場合、どのマーカー８０４がシャフト６２２に最も近いかは不明である。したがって、シャフト６２２がどのようにアレイ６１２から伸びていたかは分からない。したがって、各アレイ６１２、したがって各ツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または追跡される他のオブジェクトは、他のツール６０８または追跡されている他のオブジェクトから区別できるように、固有のマーカーパターンを有さなければならない。非対称性およびユニークなマーカーパターンは、システム１００、３００、６００が個々のマーカー１１８、８０４を検出し、保存されたテンプレートに対してマーカー間隔をチェックして、それらが、どのツール６０８、エンドエフェクタ１１２、または他のオブジェクトを表しているのかを決定することを可能にする。次に、検出されたマーカー１１８、８０４を自動的にソートし、追跡された各オブジェクトに正しい順序で割り当てることができる。この情報がなければ、ユーザがどの検出されたマーカー１１８、８０４がそれぞれの剛体上のどの位置のどの位置に対応するかを手動で指定しない限り、例えばツール先端６２４およびシャフト６２２のアライメントなどの重要な幾何情報を抽出するために剛体計算を実行することができないであろう。これらの概念は、３Ｄ光学追跡の方法の当業者には一般に公知である。

ここで図１４Ａ～図１４Ｄを参照すると、可動追跡マーカー９１８Ａ～９１８Ｄを有するエンドエフェクタ９１２の代替バージョンが示される。図１４Ａでは、可動追跡マーカー９１８Ａ－９１８Ｄを有するアレイが第一の構成で示され、図１４Ｂにおいて、可動追跡マーカー９１８Ａ－９１８Ｄは、第一の構成に対して傾斜した第二の構成で示される。図１４Ｃは、例えば、図１４Ａの第一の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ～９１８Ｄのテンプレートを示す。図１４Ｄは、例えば、図１４Ｂの第二の構成におけるカメラ２００、３２６によって見られるように、追跡マーカー９１８Ａ～９１８Ｄのテンプレートを示す。

この実施形態では、４マーカーアレイ追跡が企図されるが、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄが剛体に対してすべて固定位置にあるわけではなく、その代わりに一つまたは複数のアレイマーカー９１８Ａ～９１８Ｄが、例えばテスト中に調整され、追跡されるマーカー９１８Ａ～９１８Ｄの自動検出およびソートのためのプロセスを中断することなく、追跡される剛体に関する最新の情報を与えることができる。

ロボットシステム１００、３００、６００のエンドエフェクタ９１２に接続されたガイドチューブ９１４のような任意のツールを追跡する場合、追跡アレイの主な目的は、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ９１２の位置を更新することである。固定システムを使用する場合、例えば、図１３Ｂに示すように、反射マーカー１１８のアレイ６１２は、ガイドチューブ１１４から固定的に延びている。追跡マーカー１１８は固定的に接続されるので、カメラ座標系におけるマーカー位置の情報はまた、カメラ座標系におけるガイドチューブ１１４の中心線、先端およびテールの正確な位置を提供する。通常、このようなアレイ６１２からのエンドエフェクタ１１２の位置に関する情報、および別の追跡されたソースからの標的軌道の位置に関する情報は、ガイドチューブ１１４を軌道と整列するように移動させ、先端を軌道ベクトルに沿った特定の位置に移動させるロボット１０２の各軸に対して入力されなければならない必要な移動を計算するために使用される。

場合によっては、所望の軌道は厄介なまたは到達不能な位置にあるが、ガイドチューブ１１４を旋回させることができる場合には到達することができる。例えば、ガイドチューブ１１４がピッチ（手首上下角）軸の限界を超えて上方に枢動可能である場合、ロボット１０２の基部１０６から離れて指し示す非常に急な軌道は到達可能であり得るが、もし、ガイドチューブ１１４が、それを手首の端部に接続するプレートに平行に取り付けられるならば到達できないかもしれない。このような軌道に達するためには、ロボット１０２の基部１０６を移動させるか、または異なるガイドチューブアタッチメントを有する異なるエンドエフェクタ１１２を作業用エンドエフェクタと交換することができる。これらの解決の両方は、時間がかかり、扱いにくい場合がある。

図１４Ａおよび図１４Ｂに最もよく示されるように、もし、アレイ９０８がマーカー９１８Ａ～９１８Ｄの一つまたは複数が固定位置になく、その代わりにマーカー９１８Ａ～９１８Ｄの一つまたは複数が調整、旋回、枢動、または移動できるならば、ロボット１０２は、検出および追跡プロセスを中断することなく、追跡されているオブジェクトに関する更新された情報を提供することができる。例えば、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄの一つは定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄは移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ～９１８Ｄのうちの二つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄは、移動可能であってもよい。マーカー９１８Ａ～９１８Ｄのうちの三つは、定位置に固定され、他のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄは、移動可能であってもよい。またはマーカー９１８Ａ～９１８Ｄのすべてが可動であってもよい。

図１４Ａおよび図１４Ｂに示す実施形態では、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、エンドエフェクタ９１２の基部９０６に直接的に固定的に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、チューブ９１４に固定的に接続される。アレイ６１２と同様に、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄをエンドエフェクタ９１２、器具６０８、または追跡される他のオブジェクトに取り付けるために、アレイ９０８を設けることができる。しかしながら、この場合、アレイ９０８は、複数の別個のコンポーネントから構成される。例えば、マーカー９１８Ａ、９１８Ｂは、第一のアレイ９０８Ａによって基部９０６に接続され、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、第二のアレイ９０８Ｂによってガイドチューブ９１４に接続されてもよい。マーカー９１８Ａは、第一のアレイ９０８Ａの第一の端部に取り付けられてもよく、マーカー９１８Ｂは、直線距離に分離され、第一のアレイ９０８Ａの第二の端部に固定されてもよい。第一のアレイ９０８は実質的に直線状であるが、第二のアレイ９０８Ｂは、曲がり構成、またはＶ形状構成を有し、それぞれの根元端がガイドチューブ９１４に接続され、そこからＶ字形で遠位端に分岐し、一つの遠位端にマーカー９１８Ｃを有し、他方の遠位端にはマーカー９１８Ｄを有す。特定の構成が本明細書に例示されるが、異なる数およびタイプのアレイ９０８Ａ、９０８Ｂおよび異なる配置、数、およびタイプのマーカー９１８Ａ～９１８Ｄを含む他の非対称設計が企図されることが理解されよう。

ガイドチューブ９１４は、例えば、基部９０６に対するヒンジ９２０または他のコネクタを横切って、基部９０６に対して移動可能、枢動可能、または枢動可能であってもよい。したがって、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄは、ガイドチューブ９１４が枢動し、旋回し、または移動するときに、マーカー９１８Ｃ、９１８Ｄも枢動、旋回または移動するように移動可能である。図１４Ａに最もよく示されるように、ガイドチューブ９１４は、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄが第一の構成を有するように、実質的に法線方向または垂直の向きに整列された長手方向軸９１６を有する。ここで図１４Ｂを参照すると、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄが第一の構成と異なる第二の構成を有するように、長手方向軸９１６が垂直方向に対して角度をなすように、ガイドチューブ９１４が枢動、旋回、または移動される。

図１４Ａ～図１４Ｄに記載された実施形態とは対照的に、四つのマーカー９１８Ａ～９１８Ｄの全てがガイドチューブ９１４に固定的に取り付けられた状態で、ガイドチューブ９１４とアーム１０４（例えば、手首アタッチメント）との間にスイベルが存在し、このスイベルがユーザによって調整された場合、ロボットシステム１００、３００、６００は、ガイドチューブ９１４の配向が変化したことを自動的に検出することができない。ロボットシステム１００、３００、６００は、マーカーアレイ９０８の位置を追跡し、ガイドチューブ９１４が以前の配向で手首（ロボットアーム１０４）に取り付けられていると仮定して、不正確なロボット軸の動きを計算する。一つまたは複数のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄ）を、チューブ９１４上に固定して保持し、一つまたは複数のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄ（例えば、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂ）をスイベルを横切って保持することによって、新しい位置の自動検出が可能となり、ロボットアーム１０４の端部上の新しいツールまたはエンドエフェクタ１１２、９１２の検出に基づいて正しいロボットの動きが計算される。

一つまたは複数のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄは、任意の適切な手段にしたがって移動、枢動、旋回等されるように構成される。例えば、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄは、クランプ、バネ、レバー、摺動、トグルなどのヒンジ９２０によって、またはマーカー９１８Ａ～９１８Ｄを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂを個々にまたは組み合わせて移動させるための、または、エンドエフェクタ９１２の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、または、ツール６０８の任意の部分を別の部分に対して移動させるための、任意の他の適切な機構によって、動かしても良い。

図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、アレイ９０８およびガイドチューブ９１４は、単に、クランプまたはヒンジ９２０を緩め、アレイ９０８Ａ、９０８Ｂの一部を他の部分９０８Ａ、９０８Ｂに対して移動させ、ヒンジ９２０を再調整して、ガイドチューブ９１４が異なる位置に向けられるように構成可能であってもよい。例えば、二つのマーカー９１８Ｃ、９１８Ｄはチューブ９１４と固定的に相互接続され、二つのマーカー９１８Ａ、９１８Ｂはヒンジ９２０を介してロボットアーム１０４に取り付けられるエンドエフェクタ９１２の基部９０６に固定的に相互接続され得る。ヒンジ９２０は、ユーザが第一の構成（図１４Ａ）と第二の構成（図１４Ｂ）との間を素早く切り替えることを可能にするためにゆるめて締めることができるウイングナットなどのクランプの形態であってもよい。

カメラ２００、３２６は、例えば、図１４Ｃおよび図１４Ｄで識別されたテンプレートの一つにおいてマーカー９１８Ａ～９１８Ｄを検出する。アレイ９０８が第一の構成（図１４Ａ）にあり、追跡カメラ２００、３２６がマーカー９１８Ａ～９１８Ｄを検出する場合、追跡されるマーカーは１４Ｃに示すようにアレイテンプレート１と一致する。アレイ９０８が第二の構成（図１４Ｂ）であり、追跡カメラ２００、３２６が同じマーカー９１８Ａ～９１８Ｄを検出した場合、追跡されるマーカーは図１４Ｄに示すようにアレイテンプレート２と一致する。アレイテンプレート１およびアレイテンプレート２は、ガイドチューブ９１４、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄ、およびロボットアタッチメント間に固有に画定された空間的関係を有する二つの異なるツールとしてシステム１００、３００、６００によって認識される。したがって、ユーザは、システム１００、３００、６００に変更を通知することなく、第一および第二の構成の間でエンドエフェクタ９１２の位置を調整することができ、システム１００、３００、６００は、ロボット１０２の動きを軌道上にあるように適切に調整する。

この実施形態では、マーカーアレイが、システム１００、３００、６００がアセンブリを二つの異なるツールまたは二つの異なるエンドエフェクタとして認識することを可能にする固有のテンプレートと一致する二つのアセンブリ位置が存在する。これらの二つの位置の間または外側のスイベルの任意の位置では、（すなわち、それぞれ図１４Ｃおよび図１４Ｄに示すアレイテンプレート１およびアレイテンプレート２）マーカー９１８Ａ～９１８Ｄはいずれのテンプレートとも一致せず、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６によって個々のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄが検出されるにもかかわらず、存在するアレイを検出せず、マーカー９１８Ａ～９１８Ｄがカメラ２００、３２６の視界から一時的にブロックされた場合と同じ結果になる。他のアレイテンプレートが、例えば、異なる器具６０８または他のエンドエフェクタ１１２、９１２などを識別する他の構成用に存在してもよいことが理解されよう。

記載された実施形態では、二つの別個の組立位置が図１４Ａおよび１４Ｂに示される。しかし、スイベルジョイント、直線ジョイント、スイベルジョイントと直線ジョイントの組み合わせ、ペグボード、または他のアセンブリ上に複数の離散的な位置が存在することが理解されよう。ここで、アレイの一つまたは複数のマーカー９１８Ａ～９１８Ｄの位置をお互いに調整することによってユニークなマーカーテンプレートを作成することができ、各離散的な位置は、特定のテンプレートと一致し、異なる既知の属性を有する固有のツール６０８またはエンドエフェクタ１１２、９１２を定義する。さらに、エンドエフェクタ９１２について例示されるが、移動可能な固定マーカー９１８Ａ～９１８Ｄは、任意の適切な器具６０８または追跡される他のオブジェクトとともに使用されてもよいことが理解されよう。

外部３Ｄ追跡システム１００、３００、６００を使用してロボットのエンドエフェクタ１１２に取り付けられた三つ以上のマーカーの完全な剛体アレイを追跡する場合（例えば、図１３Ａおよび１３Ｂに示すように）、カメラ２００、３２６の座標系におけるロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を直接的に追跡するか、または計算することができる。トラッカーに対するジョイントの幾何学的な配向は設計によって既知であり、ジョイントの線形位置または角度位置は、ロボット１０２の各モータのエンコーダから既知であり、エンドエフェクタ１１２から基部１１６までのすべての可動部品の３Ｄ位置を完全に規定する。同様に、トラッカーがロボット１０２の基部１０６（図示せず）に取り付けられている場合、既知のジョイントジオメトリおよび各モータのエンコーダからのジョイント位置に基づいて、基部１０６からエンドエフェクタ１１２までのロボット１０２の各セクションの３Ｄ位置を追跡または計算することも同様に可能である。

いくつかの状況では、エンドエフェクタ１１２に固定的に取り付けられた三つ未満のマーカー１１８からロボット１０２のすべてのセグメントの位置を追跡することが望ましい場合がある。具体的には、ツール６０８がガイドチューブ１１４内に導入される場合、一つの追加のマーカー１１８のみが追跡されて、ロボット９０２の完全な剛体運動を追跡することが望ましい場合がある。

ここで図１５Ａ～図１５Ｅを参照すると、単一の追跡マーカー１０１８のみを有するエンドエフェクタ１０１２の代替バージョンが示される。エンドエフェクタ１０１２は、本明細書に記載の他のエンドエフェクタと同様であってもよく、長手方向軸１０１６に沿って延在するガイドチューブ１０１４を含んでもよい。本明細書で説明する他の追跡マーカーと同様の単一の追跡マーカー１０１８を、ガイドチューブ１０１４にしっかりと固定することができる。この単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にするために欠けている自由度を追加する目的に役立ち、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能する目的に役立ち得る。

単一追跡マーカー１０１８は、任意の好都合な方向に突出し、医師の視界を妨げないエンドエフェクタ１０１２に対する剛性の延長部として、ロボット式エンドエフェクタ１０１２に取り付けられてもよい。追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４またはエンドエフェクタ１０１２上の任意の他の適切な位置に固定することができる。ガイドチューブ１０１４に取り付けられたとき、追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４の第一の端部と第二の端部との間の位置に配置されてもよい。例えば、図１５Ａでは、単一追跡マーカー１０１８は、ガイドチューブ１０１４から前方に延在し、ガイドチューブ１０１４の長手方向の中間点の上でかつガイドチューブ１０１４の入口の下方に位置する細いシャフト１０１７の端部に取り付けられた反射球として示される。この位置は、マーカー１０１８がカメラ２００、３２６によって全体的に見えることを可能にするだけでなく、医師１２０の視界を妨げず、手術の近傍の他のツールまたはオブジェクトと衝突しない。さらに、この位置のマーカー１０１８を有するガイドチューブ１０１４は、ガイドチューブ１０１４に導入された任意のツール６０８上のマーカーアレイを、ガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８が見えると同時に見ることができるように設計される。

図１５Ｂに示すように、ぴったりとフィットするツールまたは器具６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されると、器具６０８は、６つの自由度のうちの４つで機械的に拘束される。すなわち、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６を除いて、いかなる方向にも回転させることができず、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の長手方向軸線１０１６に沿って以外の方向に並進することができない。言い換えれば、器具６０８は、ガイドチューブ１０１４の中心線に沿って並進移動しかつ回転させることだけができる。（１）ガイドチューブ１０１４の長手方向軸１０１６周りの回転角度、（２）ガイドチューブ１０１４に沿った位置のようにさらに二つのパラメータが既知であれば、カメラ座標系におけるエンドエフェクタ１０１２の位置が完全に定義される。

次に図１５Ｃに示すように、システム１００、３００、６００は、ツール６０８がガイドチューブ１０１４の内部に実際に配置され、代わりにガイドチューブ１０１４の外側ではなく、カメラ２００、３２６の視界のどこかにあるときを知ることができるべきである。ツール６０８は、長手方向軸または中心線６１６と、複数の追跡されるマーカー８０４を有するアレイ６１２とを有する。剛体計算を使用して、ツール６０８上のアレイ６１２の追跡位置に基づいて、ツール６０８の中心線６１６がカメラ座標系内に位置する場所を決定することができる。

単一マーカー１０１８からガイドチューブ１０１４の中心線または長手方向軸１０１６までの固定された法線（垂直）距離Ｄ_Ｆは固定され、幾何学的に既知であり、単一マーカー１０１８の位置を追跡することができる。したがって、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離Ｄ_Ｄが、ガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの既知の固定距離Ｄ_Ｆと一致する場合、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある（ツール６０８およびガイドチューブ１０１４の中心線６１６、１０１６が一致）か、またはこの距離Ｄ_Ｄが固定距離Ｄ_Ｆに一致する可能性のある位置の軌跡のある点に存在していることを判定できる。例えば、図１５Ｃに示すように、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの法線方向の検出距離Ｄ_Ｄが、二つの位置において、透明なツール６０８によって表される両方のデータフレーム（追跡されるマーカー座標）においてガイドチューブ中心線１０１６から単一マーカー１０１８までの固定距離Ｄ_Ｆと一致する。したがって、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内に配置されるときを決定するために追加の考慮が必要とされ得る。

ここで図１５Ｄを参照すると、プログラムされたロジックを使用して、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内を移動しているという条件を満たすよう、ツール６０８がスペース内で単一の球体１０１８に対して、ある程度の最小距離だけ移動しても、ツール中心線６１６から単一マーカー１０１８までの検出距離Ｄ_Ｄが正しい長さに固定されたままである、追跡データのフレームを探すことができる。例えば、第一のフレームＦ１は、第一の位置のツール６０８によって検出され、第二のフレームＦ２は、第二の位置のツール６０８によって検出され得る（すなわち、第一の位置に対して直線的に移動される）。ツールアレイ６１２上のマーカー８０４は、第一のフレームＦ１から第二のフレームＦ２へ所与の量より多く（例えば、合計５ｍｍ超）だけ移動することができる。この移動であっても、ツール中心線ベクトルＣ’から単一マーカー１０１８までの検出距離Ｄ_Ｄは、第一のフレームＦ１と第二のフレームＦ２の両方において実質的に同一である。

論理的には、医師１２０またはユーザは、ツール６０８をガイドチューブ１０１４内に配置し、ガイドチューブ１０１４内にそれをわずかに回転させるかまたは滑り込ませることができ、システム１００、３００、６００は、ツール６０８が五つのマーカー（ツール６０８上の四つのマーカー８０４に加えガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８）から、ガイドチューブ１０１４内にあることを検知することができる。ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることを知り、空間内のロボット式エンドエフェクタ１０１２の位置および配向を定める６自由度の全てを計算することができる。単一マーカー１０１８がなければ、ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にあることが確実に分かっていても、ガイドチューブ１０１４がツールの中心線ベクトルＣ’に沿ってどこに位置するか、およびガイドチューブ１０１４が中心線ベクトルＣ’に対しどのように回転するかは不明である。

図１５Ｅで強調するように、ツール６０８上四つのマーカー８０４と合わせて単一マーカー１０１８が追跡されるので、ガイドチューブ１０１４およびツール６０８の中心線ベクトルＣ’および単一マーカー１０１８および中心線ベクトルＣ’による法線ベクトルを構築することができる。この法線ベクトルは、手首の遠位のロボットの前腕（この例では、そのセグメントに平行に配向される）に対して既知の配向であり、特定の固定位置で中心線ベクトルＣ’と交差する配向を有する。便宜上、図１５Ｅに示すように、三つの相互に直交するベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’を構成することができ、ガイドチューブ１０１４の剛体位置および配向を画定することができる。三つの相互に直交するベクトルの一つである、ｋ’は、中心線ベクトルＣ’から構成され、第二のベクトルｊ’は、単一マーカー１０１８を通る法線ベクトルから構成され、第三のベクトルｉ’は、第一と第二のベクトルｋ’、ｊ’のベクトル積である。これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットのジョイント位置は、すべてのジョイントがゼロになると既知であり、固定され、したがって剛体計算を使用して、ロボットがホームポジションにいるとき、これらのベクトルｋ’、ｊ’、ｉ’に対するロボットの任意の部分の位置を決定することができる。ロボットの移動中に、ツールマーカー８０４の位置（ツール６０８がガイドチューブ１０１４内にある間）および単一マーカー１０１８の位置が追跡システムから検出され、各ジョイントの角度／直線位置がエンコーダから既知であれば、ロボットの任意の部分の位置および方向を決定することができる。

いくつかの実施形態では、ガイドチューブ１０１４に対するツール６０８の配向を固定することが有用であり得る。例えば、エンドエフェクタガイドチューブ１０１４は、マシニングまたはインプラントの位置決めを可能にするために、その軸１０１６の周りの特定の位置に向けられてもよい。ガイドチューブ１０１４内に挿入されたツール６０８に取り付けられたあらゆる物の配向は、ツール６０８上の追跡されるマーカー８０４から分かるが、ガイドチューブ１０１４上の追加の追跡マーカー１０１８（または他の実施形態では複数の追跡マーカー）がなければ、カメラ座標系におけるガイドチューブ１０１４自体の回転方向は不明である。このマーカー１０１８は、本質的に、中心線ベクトルＣ’に対するマーカー１０１８の配向に基づいて－１８０°～＋１８０°の「クロック位置」を提供する。したがって、単一マーカー１０１８は、完全な剛体追跡を可能にする追加の自由度を提供することができ、および／またはロボットおよびカメラの位置決めに関する仮定が有効であることを保証する監視マーカーとして機能することができる。

図１６は、ロボット１０２のエンドエフェクタ１０１２（または本明細書に記載の他の任意のエンドエフェクタ）を所望の標的軌道にナビゲートおよび移動させるための方法１１００のブロック図である。ロボットエンドエフェクタ１０１２またはガイドチューブ１０１４上の単一マーカー１０１８の別の使用は、ロボット１０２に取り付けられたフル追跡アレイなしでロボット１０２の自動安全移動を可能にする方法１１００の一部である。この方法１１００は、追跡カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動しないで（すなわち、それらが固定位置にある）、追跡システムの座標系およびロボットの座標系が共に登録され、ガイドチューブ１０１４の位置および配向が、各ロボット軸の符号化された位置にのみ基づいて、ロボットのデカルト座標系において正確に決定することができるように、ロボット１０２が較正されるとき、機能する。

この方法１１００では、トラッカーとロボットの座標系を共に登録しなければならないが、これは、追跡システムのデカルト座標系からロボットのデカルト座標系への座標変換が必要であることを意味する。便宜上、この座標変換は、ロボット工学の分野で周知である４ｘ４の並進行列および回転行列であり得る。この変換はＴｃｒと呼ばれ、「変換－カメラからロボットに」を指す。この変換が分かれば、追跡される各マーカーに対しベクトル形式でｘ、ｙ、ｚ座標として受け取られる追跡データの新しいフレームに４ｘ４行列を乗算することができ、結果のｘ、ｙ、ｚ座標はロボットの座標系にある。Ｔｃｒを得るためには、ロボットのフル追跡アレイが、ロボットの座標系で既知の位置にロボットに固定的に取り付けられている間に追跡され、次いで既知の剛体法が座標の変換を計算するために使用される。ロボット１０２のガイドチューブ１０１４に挿入された任意のツール６０８は、追加のマーカー１０１８も読み取られたときに、固定的に取り付けられたアレイと同じ剛体情報を提供することができることは明らかである。すなわち、ツール６０８は、ガイドチューブ１０１４内の任意の位置に、ガイドチューブ１０１４内の任意の回転で、挿入するだけで良い。固定された位置および配向に挿入する必要はない。したがって、追跡アレイ６１２を含む任意のツール６０８をガイドチューブ１０１４に挿入し、ツールのアレイ６１２とガイドチューブ１０１４の単一マーカー１０１８とを読み取ることにより、Ｔｃｒを決定することが可能である。同時に、それぞれの軸上のエンコーダからロボットの座標系におけるガイドチューブ１０１４の現在位置を決定できる。

ロボット１０２を標的軌道にナビゲートして移動させるための論理は、図１６の方法１１００において提供される。ループ１１０２に入る前に、変換Ｔｃｒが以前に記憶されたと仮定する。したがって、ループ１１０２に入る前に、ステップ１１０４において、ロボット基部１０６が固定された後、ロボットが静止している間にガイドチューブに挿入されたツールの追跡データの一つかまたはそれ以上のフレームが格納される。ステップ１１０６において、この静的データおよび以前の較正データから、カメラ座標からロボット座標Ｔｃｒへのロボットガイドチューブ位置の変換が計算される。Ｔｃｒは、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して動かない限り有効であるべきである。カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動し、Ｔｃｒを再取得する必要がある場合、システム１００、３００、６００は、ガイドチューブ１０１４内にツール６０８を挿入するようにユーザに促し、次いで必要な計算を自動的に実行ことができる。

方法１１００のフローチャートでは、収集されるデータの各フレームは、患者２１０上のＤＲＢ１４０４の追跡された位置、エンドエフェクタ１０１４上の単一マーカー１０１８の追跡された位置、および各ロボット軸の位置のスナップショットからなる。ロボットの軸の位置から、エンドエフェクタ１０１２上の単一マーカー１０１８の位置が計算される。この計算された位置は、追跡システムから記録されたマーカー１０１８の実際の位置と比較される。値が一致すれば、ロボット１０２が既知の位置にあることを保証することができる。変換Ｔｃｒは、ロボット１０２の標的がロボットの座標系に関して提供されるように、ＤＲＢ１４０４の追跡された位置に適用される。次いで、ロボット１０２は、標的に到達するために移動するように命令され得る。

ステップ１１０４、１１０６の後、ループ１１０２は、追跡システムからＤＲＢ１４０４の剛体情報を受信するステップ１１０８と、標的先端および軌道を画像座標から追跡システム座標に変換するステップ１１１０と、標的先端および軌道をカメラ座標からロボット座標に変換する（Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１２とを含む。ループ１１０２はさらに、追跡システムからロボットのための単一の漂遊マーカー位置を受信するステップ１１１４と、単一の漂遊マーカーを追跡システム座標からロボット座標に変換する（格納Ｔｃｒを適用する）ステップ１１１６とを含む。ループ１１０２はまた、順運動学からロボット座標系における単一のロボットマーカー１０１８の現在位置を決定するステップ１１１８を含む。ステップ１１１６および１１１８からの情報は、変換された追跡された位置からの漂遊マーカー座標が、所定の公差よりも小さい計算された座標と一致するかどうかを決定する（ステップ１１２０）ために使用される。イエスであれば、ステップ１１２２に進み、標的ｘ、ｙ、ｚおよび軌道にロボット移動を計算して適用する。いいえの場合は、ステップ１１２４に進み、一旦停止し、処理を続行する前にガイドチューブ１０１４への完全なアレイ挿入を要求し、ステップ１１２６でアレイが挿入された後に、Ｔｃｒを再計算する。その後、ステップ１１０８、１１１４および１１１８を繰り返すように進む。

この方法１１００は、位置を確認するために単一マーカー１０１８の連続的な監視が省略される方法に優る利点を有する。単一マーカー１０１８がなければ、Ｔｃｒを使用してエンドエフェクタ１０１２の位置を決定し、エンドエフェクタ１０１２を標的位置に送信することは可能であるが、ロボット１０２が実際に予想される場所にいることを確認することはできない。例えば、カメラ２００、３２６が突き当たり、Ｔｃｒがもはや有効でない場合、ロボット１０２は誤った位置に移動することになる。このため、単一マーカー１０１８は安全性に関する価値を提供する。

ロボット１０２の所与の固定位置に対して、理論的には、追跡カメラ２００、３２６を、単一の追跡されるマーカー１０１８は、アレイではなく単一の点であるので、移動されないままである、新しい位置に移動することが可能である。そのような場合、システム１００、３００、６００は、単一マーカー１０１８の計算された位置と、追跡された位置が一致するので、何らエラーを検出しない。しかしながら、ロボットの軸がガイドチューブ１０１２を新しい位置に移動させると、計算された位置と追跡された位置は不一致となり、安全チェックが有効になる。

「監視マーカー」という用語が、例えば、ＤＲＢ１４０４に対して固定位置にある単一マーカーを参照して使用することができる。この例では、ＤＲＢ１４０４が突き当てられるか、またはそうでなければ取り外されると、監視マーカーの相対位置が変化し、医師１２０に、ナビゲーションに問題がある可能性があることを警告することができる。同様に、本明細書に記載の実施形態では、ロボットのガイドチューブ１０１４上に単一マーカー１０１８を用いて、システム１００、３００、６００は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して移動したかどうかを連続的にチェックすることができる。カメラ２００、３２６が突き当たったり機能不全になったり、ロボットが誤動作したりするなどして、追跡システムの座標系のロボットの座標系への登録が失われた場合、システム１００、３００、６００はユーザに警告し、修正を加えることができる。したがって、この単一マーカー１０１８は、ロボット１０２に対する監視マーカーと考えることもできる。

ロボット１０２に恒久的に取り付けられたフルアレイ（例えば、図７Ａ～７Ｃに示されるエンドエフェクタ６０２上の複数の追跡マーカー７０２）の場合、ロボット監視マーカーのような単一マーカー１０１８のそのような機能は、カメラ２００、３２６がロボット１０２に対して固定位置にあることが要求されず、Ｔｃｒはロボット１０２の追跡された位置に基づいて各フレームで更新されるので、必要ではない。完全なアレイの代わりに単一マーカー１０１８を使用する理由は、完全なアレイがよりかさばってじゃまであり、それによって、単一マーカー１０１８よりも医師の視界および医療領域２０８へのアクセスが妨げられ、フルアレイに対する視線が、単一マーカー１０１８に対する視線よりも容易にブロックされるからである。

ここで図１７Ａ－１７Ｂおよび図１８Ａ－１８Ｂを参照すると、固定および可動追跡マーカー８０４、８０６の両方を含むインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃなどの器具６０８が示される。インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃは、ハンドル６２０と、ハンドル６２０から延在する外側シャフト６２２とを有してもよい。シャフト６２２は、図示されるように、ハンドル６２０に対して実質的に垂直に、または任意の他の適切な配向に配置され得る。内側シャフト６２６は、一方の端部にノブ６２８を有する外側シャフト６２２を通って延在することができる。インプラント１０、１２は、シャフト６２２に他方の端部で、当業者に公知である典型的な接続機構を使用して、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃの先端６２４で接続する。ノブ６２８は、例えば、インプラント１０、１２を拡張させまたは関節接合させるために回転させることができる。米国特許第８，７０９，０８６号および第８，４９１，６５９号は、本明細書で参照により盛込まれるが、拡張可能な融合装置および取り付け方法を記載している。

インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃのようなツール６０８を追跡するとき、追跡アレイ６１２は、アレイ６１２を構成するまたは、そうでなければインプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃに取り付けられる、固定マーカー８０４と一つまたは複数の可動マーカー８０６の組み合わせを含むことができる。ナビゲーションアレイ６１２は、インプラントホルダ器具６０８Ｂ、６０８Ｃに対して既知の位置に配置される少なくとも一つまたは複数（例えば、少なくとも二つ）の固定位置マーカー８０４を含むことができる。これらの固定マーカー８０４は、器具の幾何学的形状に対してどの方向にも動くことができず、器具６０８が空間中でどこにあるかを定義するのに有用である。さらに、少なくとも一つのマーカー８０６が存在し、これは、固定マーカー８０４に対して所定の境界内で動くことができる（例えば、摺動、回転など）アレイ６１２または器具自体に取り付けることができる。システム１００、３００、６００（例えば、ソフトウェア）は、可動マーカー８０６の位置をインプラント１０の特定の位置、配向、または他の属性に関係づける（例えば、図１７Ａ～１７Ｂに示す拡張可能な椎体間スペーサの高さ、図１８Ａ～１８Ｂに示される関節のある椎体間スペーサの角度）。したがって、システムおよび／またはユーザは、可動マーカー８０６の位置に基づいてインプラント１０、１２の高さまたは角度を決定することができる。

図１７Ａ～図１７Ｂに示す実施形態では、四つの固定マーカー８０４を使用してインプラントホルダ６０８Ｂを画定し、第五の可動マーカー８０６を所定の経路内で摺動させて、インプラント高さ（例えば、収縮位置または拡張位置）にフィードバックを提供することができる。図１７Ａは、拡張可能なスペーサ１０をその初期高さで示しており、図１７Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に並進された、拡張状態のスペーサ１０を示す。この場合、可動マーカー８０６は、インプラント１０が拡張されたときに固定マーカー８０４に近づくが、この移動が逆転してもよいし、そうでなければ異なってもよいと考えられる。マーカー８０６の直線並進の量は、インプラント１０の高さに対応する。二つの位置のみが示されるが、これを連続的な機能として有することが可能であり、それにより、任意の所定の拡張高さを可動マーカー８０６の特定の位置に相関させることができる。

ここで図１８Ａ～図１８Ｂを参照すると、四つの固定マーカー８０４がインプラントホルダ６０８Ｃを画定するために使用され、第五の可動マーカー８０６がインプラント関節角度に対してフィードバックを提供するために所定の経路内で摺動するよう構成される。図１８Ａは、関節のあるスペーサ１２をその初期線形状態で示しており、図１８Ｂは、可動マーカー８０６が異なる位置に移動されたあるオフセット角での関節動作した状態にあるスペーサ１２を示す。マーカー８０６の線形並進量は、インプラント１２の関節角度に対応する。二つの位置だけが示されるが、これを連続機能として有することが可能であり、それによって、任意の所与の関節角度が可動マーカー８０６の特定の位置に相関されることができる。

これらの実施形態では、可動マーカー８０６は、位置に基づいてインプラント１０、１２の属性に関するフィードバックを提供するために連続的に摺動する。また、インプラント属性に関するさらなる情報を提供することができる可動マーカー８０６がなければならない周到な位置が存在し得ることも考えられる。この場合、全てのマーカー８０４、８０６の周到な構成は、特定の配向または特定の高さにおける、インプラントホルダ６０８Ｂ、６０８Ｃおよびインプラント１０、１２の特定の幾何学的形状と相関する。さらに、可動マーカー８０６の任意の動きは、任意の他のタイプのナビゲートされるインプラントの他の可変属性に使用することができる。

可動マーカー８０６の線形移動に関して図示および説明されるが、可動マーカー８０６は、単に摺動に限定されるべきではない。マーカー８０６の回転または他の動きがインプラント１０、１２に関する情報を提供するのに有用であり得る用途があり得る。一組の固定マーカー８０４と可動マーカー８０６との間の位置の相対的変化は、インプラント１０、１２または他のデバイスに関する関連情報となり得る。さらに、拡張可能で関節のあるインプラント１０、１２が例示されるが、器具６０８は、他の医療機器およびスペーサ、ケージ、プレート、ファスナ、釘、ねじ、ロッド、ピン、ワイヤ構造、縫合糸、アンカークリップ、ステープル、ステント、骨移植片、生物製剤、セメントなどの材料ともに機能することができる。

ここで図１９Ａを参照すると、ロボットエンドエフェクタ１１２は、他のタイプのエンドエフェクタ１１２と交換可能であることが想定される。さらに、各エンドエフェクタ１１２は、所望の医療処置に基づいて一つまたは複数の機能を実行することができると考えられる。例えば、ガイドチューブ１１４を有するエンドエフェクタ１１２は、本明細書で説明されるように器具６０８を案内するために使用されてもよい。さらに、エンドエフェクタ１１２は、例えば、医療デバイス、器具、またはインプラントを制御する、異なるまたは代替のエンドエフェクタ１１２で置き換えることができる。

代替のエンドエフェクタ１１２は、ロボットに結合され、ロボットによって制御可能な一つまたは複数の装置または器具を含むことができる。非限定的な例として、図１９Ａに示すエンドエフェクタ１１２は、レトラクタ（例えば、米国特許第８，９９２，４２５号および第８，９６８，３６３号に開示される一つまたは複数のレトラクタ）、または以下のような医療デバイスを挿入または設置するための一つまたは複数の機構を含むことができる。それは、拡張可能な椎間融合装置（米国特許第８，８４５，７３４号、第９，５１０，９５４号、および第９，４５６，９０３号に例示される拡張可能インプラントなど）、スタンドアロンの椎間融合装置（米国特許第９，３６４，３４３号および第９，４８０，５７９号に例示されるようなインプラントなど）、拡張可能な骨切除装置（米国特許第９，３９３，１２８号および第９，１７３，７４７号に例示される骨矯正インプラントなど）、関節のあるスペーサ（米国特許第９，２５９，３２７号に例示されるインプラントなど）、ファセットプロテーゼ（米国特許第９，５３９，０３１号に例示されるデバイスなど）、椎弓形成術装置（米国特許第９，４８６，２５３号に例示されたデバイスなど）、棘突起スペーサ（米国特許第９，５９２，０８２号に例示されるインプラントなど）、インフレータブル製品、多軸スクリュー、一平面スクリュー、椎弓根スクリュー、ポストスクリューなどを含むファスナ、骨固定プレート、ロッド構築物および変更デバイス（米国特許第８，８８２，８０３号に例示されるデバイスなど）、人工および天然ディスク、動作保存装置、インプラント、および脊髄刺激装置（米国特許第９，４４０，０７６号に例示される装置など）、ならびに他の医療デバイスである。エンドエフェクタ１１２は、骨セメント、骨移植片、生きた細胞、医薬品、または医療標的への他の送達物を提供するために、ロボットに直接的または間接的に結合された一つまたは複数の器具を含むことができる。エンドエフェクタ１１２はまた、椎間板切除術、脊柱後弯形成、椎骨縫合、拡張、または他の医療処置を行うために設計された一つまたは複数の器具を含むことができる。

エンドエフェクタそれ自体および／またはインプラント、デバイスまたは器具は、マーカー１１８の場所および位置が三次元で識別されるように、一つまたは複数のマーカー１１８を含むことができる。マーカー１１８は、カメラ２００に直接的または間接的に視認可能な、本明細書に記載される能動または受動マーカー１１８を含むことができると考えられる。したがって、例えば、インプラント１０上に配置された一つまたは複数のマーカー１１８は、インプラント前、インプラント中およびインプラント後のインプラント１０の追跡を提供することができる。

図１９Ｂに示すように、エンドエフェクタ１１２は、ロボットアーム１０４に結合された器具６０８またはその一部を含むことができ（例えば、器具６０８は、図９Ａ～図９Ｃに示す結合機構によってロボットアーム１０４に結合され得る）、ロボットシステム１００によって制御可能である。したがって、図１９Ｂに示す実施形態では、ロボットシステム１００は、インプラント１０を患者に挿入し、拡張可能インプラント１０を拡張または収縮させることができる。したがって、ロボットシステム１００は、医師を補助するか、または部分的にまたは完全に独立して動作するように構成することができる。したがって、ロボットシステム１００は、その特定の機能または医療処置のために各代替エンドエフェクタ１１２を制御することができることが想定される。

本明細書に記載されるロボットおよび関連するシステムは、背骨用途を参照して一般に説明されるが、ロボットシステムは、他の医療用途において使用されるように構成され得る。他の外科手術には、医療撮像、外傷の手術または他の整形外科手術（例えば、髄内釘、プレートなどの配置）、頭蓋、神経、心胸郭、血管、結腸直腸、腫瘍学、歯科および他の外科手術および処置が挙げられるが、これらに限定されない。

次いで、ロボット脊椎（またはその他の）処置中、動的基準ベース（ＤＲＢ）が患者に（例えば、患者の骨に）固定され、患者の解剖学的構造を追跡するのに使用され得る。患者は呼吸しているため、（患者の身体に取り付けられる）ＤＲＢの位置は振動し得る。医療ツールが標的軌道にロボット制御で移動され、位置にロックされると、患者の動作（例えば、呼吸による）により、エンドエフェク（例えば、医療ツール）が所定位置にロックされていても標的軌道からのずれが生じる場合がある。したがって、このずれ／シフト（未認識、意図しない場合）によって、システムおよび／または医療処置の精度が低減し得る。

上述のロボットシステムの要素を使用して、本発明の概念のいくつかの実施形態による仮想インプラントの配置を調整し得る。ナビゲートされるツールを使用して器具およびインプラント軌道を計画することで、ロボット制御された、またはナビゲートされる手術ケースを計画する際に、外科医は、より使い易いシステム、およびより高い柔軟性を有し得る。計画された軌道に沿ってオフセットを設定することにより、個人がロボット手術を始めるための手術用ナビゲーションにより早く慣れることを可能にし、そして、全てのユーザが介入を計画する際のより高い柔軟性を可能にし得る。本システムは、より高い柔軟性を医師に提供することができるが、これは、プローブを仮想インプラントの位置に移動させる際に実行される動作が、物理的インプラントを身体内にインプラントするために実行される手術の動作を模倣し得るためである。本システムはまた、正確なオフセットを用いてインプラントを計画することをより容易にし、外科医の視野をより良好に活用することができる。

図２０は、ロボットナビゲーションシステム（撮像システムまたは医療ナビゲーションシステムとも呼ばれる）のための、コントローラ２０００（例えば、コンピュータ４０８内に実装される）の要素を示すブロック図である。示すように、コントローラ２０００は、入力インターフェース回路２００１（入力インターフェースとも称される）と、出力インターフェース回路２００３（出力インターフェースとも称される）と、制御インターフェース回路２００５（制御インターフェースとも称される）と、メモリ回路２００９（メモリとも称される）とに結合されるプロセッサ回路２００７（プロセッサとも称される）を含み得る。メモリ回路２００９は、プロセッサ回路２００７によって実行されると、本明細書に開示された実施形態において、プロセッサ回路に動作を実施させるコンピュータ可読プログラムコードを含み得る。その他の実施形態では、プロセッサ回路２００７は、別のメモリ回路が必要とされないよう、メモリを含んで画定され得る。

本明細書に記載のように、ナビゲーションシステムコントローラ２０００（例えば、ロボットナビゲーションシステムコントローラ）の動作は、プロセッサ２００７、入力インターフェース２００１、出力インターフェース２００３、および／または制御インターフェース２００５によって実行され得る。例えば、プロセッサ２００７は、入力インターフェース２００１を通してユーザ入力を受信し得、そうしたユーザ入力は、キーボード、マウス、タッチ感応ディスプレイ、フットペダル５４４、タブレット５４６等を通して受信されるユーザ入力を含み得る。プロセッサ２００７はまた、追跡システム５３２および／またはカメラ２００から入力インターフェース２００１を通して位置センサ入力を受信し得る。プロセッサ２００７は、出力インターフェース２００３を通して出力を提供し得、そのような出力は、ディスプレイ３０４上のグラフィック／視覚的情報および／またはスピーカ５３６を通して提供されることになる音声出力を表示する情報を含み得る。プロセッサ２００７は、制御インターフェース２００５を通してモーション制御サブシステム５０６へロボット制御情報を提供し得、ロボット制御情報は、ロボットアーム１０４または他のロボットアクチュエータの動作を制御するのに使用され得る。プロセッサ２００７はまた、制御インターフェース２００５を通してフィードバック情報を受信し得る。

図２１は、プローブ２１１０の移動に応答して仮想インプラント２１２０の配置を調整するために使用される手術用ナビゲーションシステムの例を図示する。この例では、手術用ナビゲーションシステムは、先端２１１２を用いて身体２１５０に対するプローブ２１１０の移動を捕捉することができるセンサ２１６０を含む。センサ２１６０はカメラ２００を含むことができ、プローブ２１１０はナビゲートされる器具６０８を含むことができ、身体２１５０は患者２１０を含むことができる。センサ２１６０は、プローブ２１１０に取り付けられた追跡マーカー２１１１を検出し、追跡マーカー２１１１の位置に基づいて、プローブ２１１０に対する位置データを決定することができる。手術用ナビゲーションシステムは、プローブ２１１０の配向に基づいて軌道２１４０を決定することができ、軌道２１４０に沿った先端２１１２からのオフセット２１３０に基づいて仮想インプラント２１２０の位置を決定することができる。

いくつかの実施形態では、プローブ２１１０は、人体を含み得る、身体２１５０に隣接して配置される物理的装置であり得る。手術用ナビゲーションシステムは、３Ｄ解剖学的画像情報を使用して、仮想インプラント２１２０を含み得る、身体２１５０の画像を生成し得る。仮想インプラント２１２０を含む画像は、身体２１５０に隣接するプローブ２１１０を移動させることにより、プローブ２１１０、軌道２１４０、または仮想インプラント２１２０の仮想実施形態を表示された画像上で動かし得るように、モニタ上に表示され、更新され得る。いくつかの実施例では、システムはプローブ２１１０を追跡し、ボタン（例えば、フットペダル）の第一の押下で軌道２１１２を設定し、軌道２１４０に沿ったデフォルトオフセットにおける仮想インプラント２１２０に対する配置を決定し得る。ボタンを保持することにより、軌道２１４０に沿ったオフセット２１３０のさらなる調整が可能になり得る。オフセット２１３０に対する調整は、いくつかの方法で計算され得る。

いくつかの実施形態では、プローブ２１１０の先端２１１２の位置を使用して、軌道２１４０に沿った仮想インプラント２１２０の位置を決定し得る。追加的または代替的な実施形態では、仮想インプラント２１２０の位置は、プローブ２１１０の回転を検出することに基づいて調整され得る。

説明のため、図２１は物理的要素（ユーザに直接見える）および仮想要素（ディスプレイ上でのみ見える）を組み合わせている。特に、身体２１５０の表面および／または物理的プローブ２１１０は、ユーザおよびセンサ２１６０に見えるが、身体の内部部分および仮想インプラントは直接見えない。代わりに、手術用ナビゲーションシステムが、二次元画像をディスプレイ上に表示してもよいが、二次元画像は、身体２１５０の内部部分、仮想インプラント２１２０、本体２１５０の表面、およびプローブ２１１０を含む。

伸縮バージョンのプローブ２１１０の例が図２３Ａ～２３Ｂに図示されている。同じプローブ２１１０が図２３Ａおよび図２３Ｂの両方に図示されている。プローブは、回すことでプローブ２１１０の長さを調整し得る、サムホイール２３１０を含む。図２３Ａのサムホイール２３１０を時計回りに回すことにより、伸縮式シャフト２３２０がそれ自体上に後退し、図２３Ｂの伸縮自在シャフト２３２０の長さに短縮される。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、追跡マーカー２１１１に対する位置データ、および追跡マーカー２１１１からの先端２１１２のデフォルト長さを提供され得る。ユーザが、先端２１１２の位置を維持しながらプローブ２１１０の実際の長さを調整する場合に、プロセッサ２００７が仮想インプラントの位置を調整することができるように、プロセッサ２００７は、追跡マーカー２１１１に対する位置データに基づいて仮想インプラント２１２０の位置を決定し得る。例えば、先端２１１２の位置を維持しながら、ユーザがサムホイール２３１０を使用してプローブ２１１０を短縮する場合、プロセッサ２００７は、先端２１１２の位置が今よりも解剖学的身体２１５０に近くなる（またはさらに内部となる）と計算し、仮想インプラント２１２０の位置がさらに身体２１５０の中になるように調整し得る。

図２３Ａ～２３Ｂは、サムホイール２３１０を有する伸縮バージョンのプローブ２１１０を図示するが、その他の機構を使用してプローブ２１１０の長さを調整してもよい。プローブ２１１０は、上記図１３Ａ～１３Ｃの医療器具に関してより詳細に説明される。

次に、本発明の概念のいくつかの実施形態による、ナビゲーションシステム（例えば、身体上にプローブを配置するように構成されたロボットアクチュエータを含むロボットナビゲーションシステム）の動作は、図２２のフローチャートを参照して説明される。例えば、モジュールは、図２０のメモリ２００９に保存され得、これらのモジュールは、モジュールの命令がプロセッサ２００７によって実行されると、プロセッサ２００７が図２２のフローチャートのそれぞれの動作を実行するように、命令を提供し得る。

図２２は、仮想インプラントに対する位置を決定するために、３Ｄ解剖学的ボリュームに対する３Ｄ画像情報を使用してナビゲーションシステムによって実行される動作の例を図示する。

ブロック２２１０で、プロセッサ２００７は、３Ｄ解剖学的ボリューム（例えば、身体２１５０）に対する３Ｄ撮像情報を提供し得る。ブロック２２２０で、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０のポーズを検出し得る。プローブ２１１０のポーズは、プローブ２１１０の位置および／または配向を含み得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、位置決めシステム（追跡システムとも呼ばれる）から受信した情報に基づいてポーズを検出し得る。例えば、プローブ２１１０は、一つ以上の離間した追跡マーカー２１１１を含んでもよく、位置決めシステムは、追跡マーカー２１１１を検出することによってプローブ２１１０の位置および配向を検出し得る。プロセッサ２００７は、入力インターフェース２００１を介して位置決めシステムから位置データまたは配向データを受信し得る。

ブロック２２３０で、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０のポーズに基づいて、および長手方向軸に沿ったプローブ２１１０の端からのデフォルトオフセットに基づいて、３Ｄ解剖学的ボリュームに対する仮想インプラント２１２０の配置を決定し得る。仮想インプラント２１２０は、仮想インプラント２１２０の軌道２１４０が配向におけるプローブの長手方向軸と整列するように、３Ｄ解剖学的ボリュームからの画像上に重ね合わされてもよい。

ブロック２２４０で、プロセッサ２００７は、出力インターフェース２００３を介して再フォーマット画像データを提供し得る。再フォーマット画像データは、３Ｄ解剖学的撮像情報に基づき得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、３Ｄ解剖学的撮像情報に基づいて、および仮想インプラントの配置に基づいて、ディスプレイ（例えば、ディスプレイ１１０）上に表示される第一の再フォーマット画像データを提供する。３次元情報は、仮想インプラント２１２０の位置および配向または軌道を含み得る。

追加または代替の実施形態では、プロセッサ２００７は、出力インターフェース２００３を介して新しい画像データを提供し得る。新しい画像データは、新たに捕捉された３Ｄ解剖学的撮像データに基づいてもよく、仮想インプラントの配置に基づいてもよい。

プロセッサ２００７が、仮想インプラント２１２０を調整する要求を示すユーザ入力を受信していない場合、ブロック２２４５で、プロセッサ２００７は、ブロック２２２０、２２３０、および２２４０を繰り返すことを決定し得る。ユーザがプローブ２１１０の移動に応答して仮想インプラント２１２０の位置および軌道の変化を見ることができるように、画像は連続的に更新され、ユーザに見えるディスプレイ上に表示され得る。仮想インプラント２１２０を調整する要求を示すユーザ入力が受信された場合、プロセッサ２００７は、ブロック２２４５でブロック２２５０に進むことを決定し得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、仮想インプラント２１２０を調整する要求を示す、ユーザによって押下されたボタン／ペダルからの信号を受信し得る。追加的または代替的な実施形態では、プロセッサ２００７は、仮想インプラント２１２０を調整する要求を示すためにプローブが所定の方法で移動したことを示す、プローブ２１１０に対する位置データを受信し得る。追加的または代替的な実施形態では、プロセッサ２００７は、入力デバイス（例えば、キーボードまたはマウス）から、仮想インプラント２１２０を調整する要求を示す、ユーザ入力を受信し得る。

ブロック２２５０で、プロセッサ２００７は、仮想インプラント２１２０を調整する。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０の移動に応答してブロック２２３０で仮想インプラント２１２０の配置を決定した後に、仮想インプラント２１２０を調整する。仮想インプラント２１２０の配置は、仮想インプラント２１２０の軌道２１４０を維持しながら調整され得る。プロセッサ２００７は、プローブ２１１０の移動に応答して、軌道２１４０に沿って仮想インプラント２１２０の配置を移動させ得る。

いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、第一の回転方向へのプローブ２１１０の回転を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って第一の方向に仮想インプラント２１２０を移動させてもよく、第二の回転方向へのプローブの回転を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って第二の方向に仮想インプラント２１２０を移動させてもよい。こうした調整は、図２５に関してより詳細に説明される。

追加的または代替的な実施形態では、仮想インプラント２１２０を移動させることは、仮想インプラント２１２０の軌道２１４０に対して非平行な方向へのプローブ２１１０の先端２１１２の移動を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って仮想インプラントを移動させることを含み得る。追加的または代替的な実施形態では、仮想インプラント２１２０を移動させることは、仮想インプラント２１２０の軌道２１４０から離れるプローブ２１１０の先端２１１２の移動を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って第一の方向に仮想インプラント２１２０を移動させること、および、軌道２１４０に向かうプローブ２１１０の先端２１１２の移動を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って第二の方向に仮想インプラント２１２０を移動させることを含み得る。こうした調整は、図２４Ａおよび２４Ｂに関して以下でより詳細に説明される。

追加的または代替的な実施形態では、仮想インプラント２１２０を移動させることは、仮想インプラントの軌道２１４０の周りのプローブの先端２１１２の移動を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って仮想インプラント２１２０を移動させることを含み得る。仮想インプラント２１２０は、軌道２１４０の周りで時計回りの方向のプローブ２１１０の先端２１１２の移動を検出することに応答して、軌道に沿って第一の方向に移動させ得、そして、軌道２１４０の周りで反時計回りの方向のプローブ２１１０の先端２１１２の移動を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って第二の方向に移動させ得る。軌道２１４０に沿った仮想インプラント２１２０の移動のスケールは、軌道２１４０からの先端の距離に基づく、先端２１１２の移動に対するものであり得る。こうした調整は、図２６に関して以下でより詳細に説明される。

図２４Ａ～図２４Ｂは、プローブ２１１０の先端２１１２の位置を使用して軌道２１４０に沿って仮想インプラント２１２０の位置を調整し得る方法の例を示す。図２４Ａに関して、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０の先端２１１２の位置データを使用して、軌道２１４０上にあり得る、先端２１１２の初期位置２４４４を決定し得る。初期位置２４４４からの仮想インプラント２１２０のオフセット２１３０を、３Ｄ解剖学的ボリューム（この例では、身体２１５０）内へ延在するデフォルトオフセットに設定し得る。図２４Ｂは、身体２１５０に対する別の位置におけるプローブ２１１０を図示する。プローブ２１１０が移動するのに従って、プロセッサ２００７は、先端２１１２への軌道に沿った最も近い対応点２４４２を決定し得る。プロセッサ２００７はさらに、先端２１１２の最も近い対応点２４４２と所期位置２４４４との間の距離２４２０を決定し得る。距離２４２０は、仮想インプラント２１２０が軌道２１４０に沿って配向されたままとなるという追加的な制約を維持しながら、仮想インプラント２１２０のオフセット２１３０を設定するのに使用され得る。この例では、最も近い点２４４２が仮想インプラント２１２０の位置から離れて移動するのに従ってオフセットが低減し、最も近い点２４４２が仮想インプラント２１２０の位置に向かって移動するのに従って、オフセットが増加し得る。オフセットが調整される量は、最も近い点２４４２と初期位置２４４４との間の距離２４２０の変化に比例し得る。

追加的または代替的な実施形態では、プロセッサ２００７は、先端２１１２の初期位置２４４４と先端２１１２の現在位置との間の距離２４１０を決定することで、オフセット２１３０を調整し得る。最も近い点２４４２は、距離２４１０の変化に基づいてオフセットが調整される間、同じままとし得る。オフセット２１３０は、距離２４２０と距離２４１０との組み合わせに基づき得る。

図２５は、プローブ２１１０の長軸方向軸の周りのプローブ２１１０の回転を使用して、軌道２１４０に沿って仮想インプラント２１２０の位置を調整し得る方法の例を図示する。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０が軌道２１４０に沿って移動することなく、プローブ２１１０の回転に基づいて仮想インプラント２１２０の位置を調整し得るが、このことは、プローブが椎弓根上で底をついている、または本体と既に接触しているときに有用であり得る。いくつかの実施例では、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０の長手方向軸の周りでプローブ２１１０の時計回りの回転を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って仮想インプラント２１２０の位置を前進（例えば、仮想身体内にさらに移動）させ得る。プロセッサ２００７は、プローブ２１１０の長手方向軸の周りでプローブ２１１０の反時計回りの回転を検出することに応答して、軌道２１４０に沿って仮想インプラント２１２０の位置を後退（例えば、仮想本体の表面に近付けて移動）させ得る。追加的または代替的な実施形態では、プローブ２１１０の移動または回転の速度は、プローブ２１１０によって決定され、仮想インプラント２１２０を調整すべき方向を決定するために使用され得る。例えば、プローブ２１１０を反時計回りにすばやく回転させ、次に反時計回りにゆっくり回転させると、プロセッサ２００７は、この一連の動きを検出して、時計回りの回転を使用して仮想インプラント２１２０のオフセットを増大させ、反時計回りの回転は無視すべきである（例えば、ラチェット動作に類似）と示し得る。追加的または代替的な実施形態では、プローブ２１１０は、後続の手術で使用され得るインプラントと器具の組み合わせに最も密接に対応する、仮想タップまたは他の仮想手術用器具またはインプラントとして表示され得る。

図２６は、軌道２１４０の周りのプローブ２１１０の先端２１１２の回転を使用して、軌道２１４０に沿った仮想インプラント２１２０の位置を調整する方法を図示する。いくつかの実施形態では、プローブ２１１０の先端２１１２を使用して、プローブ２１１０から軌道２１４０上の点２６２０へのレバーアームを画定し得る。プロセッサ２００７は、先端２１１２と点２６２０との間の距離に基づいてレバーアームの長さを決定し得、レバーアームの角度は、点２６２０を含む軌道２１４０と直角をなす平面と比較したプローブ２１１０の現在の配向に基づき得る。プロセッサ２００７は、ユーザが、軌道２１４０の周りでプローブ２１１０を回転またはクランキングさせるのを検出することに基づいて、仮想インプラント２１２０の配置を調整し得る。レバーアームの長さと角度は、オフセットスケーリングに影響を与え得る。例えば、レバーアームを長くすることは、軌道２１４０の周りのプローブ２１１０の回転ごとに仮想インプラント２１２０を配置するために行われる調整の量を低減し得る。

いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、仮想インプラント２１２０の位置に対する調整が、一方向へのプローブ２１１０の回転に応答してのみ行われるように、ラチェットシステムを実装し得る。例えば、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０の時計回りの回転を検出することに応答してのみ仮想インプラント２１２０のオフセットを調整して、小さな作業領域を維持しながら、またはより高い精度で、ユーザが軌道２１４０に沿って仮想インプラント２１２０を単一の方向にさらに調整することを可能にし得る。

図２４～２６の実施例のいずれかを組み合わせて、仮想インプラント２１２０の配置を調整し得る。いずれの実施形態においても、ユーザモーションとオフセット調整との比をスケールすることができる。スケーリングは、ナビゲートされる機器の位置および配向によって知らされ得る。例えば、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０のピッチの変更、またはプローブ２１１０上の点と軌道２１４０上の点との間の距離に基づいて回転モードを使用する際にスケーリングを変更し得る。

図２２のブロック２２５０に戻って、いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、仮想インプラントの軌道を維持しながら、プローブの移動に応答して、およびプローブの移動から分離されたユーザ入力に応答して、仮想インプラントを調整し得る。例えば、ユーザ入力は、ナビゲーションシステムに通信可能に結合されたボタンまたはペダルの押下を含み得る。

追加的または代替的な実施形態では、仮想インプラント２１２０を調整することは、図２４～２６に関して上述するように、仮想インプラントの軌道２１４０を維持しながら、プローブ２１１０の移動に応答して仮想インプラント２１２０のサイズを変更することを含み得る。例えば、プロセッサ２００７は、プローブ２１１０の回転に応答して、仮想インプラント２１２０の長さまたは幅を調整し得る。仮想インプラント２１２０は、仮想ねじまたはその他任意の適切な仮想インプラントであり得る。

ブロック２２６０で、プロセッサ２００７は、出力インターフェース２００３を介して再フォーマット画像データを提供する。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、仮想インプラント２１２０の調整に基づいて、ディスプレイ上に表示される第二の再フォーマット画像データを提供する。第二のフォーマット画像データは、ブロック２２４０で提供される第一のフォーマット画像データとは異なっていてもよい。例えば、軌道２１４０が変化しないため、第二の再フォーマット画像データが軌道データを含まない場合があり、またさもでなければ、送信される軌道データが仮想インプラントデータが変化する間に一定のままである場合がある。第一の再フォーマット画像データが仮想インプラントデータを含まない場合があり、または、仮想インプラント２１２０のデフォルトオフセットおよびデフォルトサイズまたは形状などの一定の仮想インプラントデータを含む場合がある。いくつかの実施形態では、第一の画像は、仮想インプラント２１２０の第一のマークされた位置および第一の配向での身体２１５０の一部を含んでもよく、第二の画像は、仮想インプラント２１２０の第二のマークされた位置および第二の配向での身体２１５０の一部を含んでもよい。第二のマークされた位置は、第一のマークされた位置よりも浅い場合がある。第一の画像は、特定のサイズのインプラントとして仮想インプラント２１２０の第一の描写をさらに含んでもよく、第二の画像は、異なるタイプまたは異なるサイズを有する仮想インプラント２１２０の第二の描写を含んでもよい。

プロセッサ２００７が仮想インプラントデータを保存する要求を示すユーザ入力を受信していない場合、プロセッサ２００７はブロック２２６５で、ブロック２２５０および２２６０を繰り返すよう決定し得る。プロセッサ２００７が仮想インプラントデータを保存する要求を示すユーザ入力を受信する場合、プロセッサ２００７はブロック２２６５で、ブロック２２７０に進むよう決定し得る。

ブロック２２７０で、プロッサ２００７は仮想インプラントデータを保存する。いくつかの実施形態では、ユーザ入力に応答して、再フォーマット画像データ保存し得る。再フォーマット画像データは、仮想インプラント２１２０の位置、軌道、サイズ、形状、およびタイプを含み得る。いくつかの実施例では、ユーザがボタンまたはペダルを押下する（上述するように）間に仮想インプラントを調整することができ、プロセッサ２００７は、ボタンまたはペダルの解放に応答して仮想インプラントに関する情報を保存し得る。その他の実施形態では、第一のボタン／ペダルを使用して調整を開始し得、第二のボタン／ペダルを使用して仮想インプラントデータを保存し得る。

ブロック２２８０で、プロセッサ２００７はロボットアクチュエータを制御する。いくつかの実施形態では、プロセッサ２００７は、仮想インプラントに関する情報に基づいて、制御インターフェース２００５を介してロボットアクチュエータを制御して、エンドエフェクタを配置し得る。例えば、プロセッサ２００７は、仮想インプラント２１２０に関する情報に基づいて、エンドエフェクタを使用して外科手術を実行し、物理的インプラントを身体内の位置に配置することができるように、ロボットアクチュエータを制御してエンドエフェクタを配置し得る。追加的または代替的な実施形態では、仮想インプラント２１２０に関する情報に基づいて、プロセッサ２００７はロボットアクチュエータを制御して外科手術を実行し、物理的インプラントを身体内に配置し得る。

本発明の概念の様々な実施形態の上記の説明において、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のみのものであり、本発明の概念を限定するものではないことを理解されたい。他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明の概念が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されているもののような用語は、明細書および関連技術の文脈における意味と一致する意味と有すると解釈されるべきであり、本明細書において明確に定義されていない限り、理想的または過度に形式的に解釈されるうべきではないことも理解されよう。

ある要素が、別の要素に「接続されている（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「結合されている（ｃｏｕｐｌｅｄ）」「応答している（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、別の要素の直接接続され、結合され、または、応答してもよく、あるいは、介在要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「直接結合されている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「直接応答している（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形として称される場合、介在要素は存在しない。同一番号は、全体を通して同一要素を指す。さらには、本明細書で使用されるように、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「応答した（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ）」、またはその変形は、無線で結合され、接続され、または応答しすることを含み得る。本明細書で使用されているように、単数形「一つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限りは、複数形も含むものとする。周知の機能または構成は、簡潔さおよび／または明瞭さのために、詳細に説明され得ない。用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、関連して列挙した項目の一つまたは複数の組み合わせのいずれかおよびすべてを含む。

用語第一、第二、第三等が様々な要素／動作を説明するために本明細書において使用され得るが、これらの要素／動作はこれらの用語に限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素／動作を別の要素／動作から区別するためにのみ使用される。よって、いくつかの実施形態における第一要素／動作は、本発明概念の教示から逸脱することなく、他の実施形態において第二の要素／動作と称されてもよい。同一参照番号または同一参照指定子は、明細書全体を通して、同一または類似の要素を示す。

本明細書中で使用される場合、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」またはそれらの変形は、オープンエンドであり、一つまたは複数の述べられた特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能を含むが、一つまたは複数の他の特徴、整数、要素、ステップ、構成要素、機能またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。さらに、本明細書で使用されるように、ラテン語の句「例示的なグラシア」に由来する一般的な略語「ｅ．ｇ．」は、前述のアイテムの一般的な例を導入または特定するために使用されてもよく、そのような項目を限定することを意図しない。ラテン語句「ｉｄ ｅｓｔ」に由来する一般的な略語「ｉ．ｅ．」を使用し、より一般的な暗唱から特定の項目を指定することができる。

例示的な実施形態は、本明細書において、コンピュータ実装方法、装置（システムおよび／または装置）および／またはコンピュータプログラム製品のブロック図および／またはフローチャート図を参照して説明される。ブロック図および／またはフローチャート図のブロック、およびブロック図および／またはフローチャート図のブロックの組み合わせは、一つまたは複数のコンピュータ回路によって実行されるコンピュータプログラム命令によって実装できることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、汎用コンピュータ回路、専用コンピュータ回路、および／または他のプログラム可能データ処理回路のプロセッサ回路に供給され、コンピュータおよび／または他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行されるこれらの命令が、トランジスタ、メモリ位置に格納された値、およびブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための回路内の他のハードウェア構成要素を変換し、制御し、故に、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックに指定された機能／動作を実現するための手段（機能）および／または構造を作成することができる。

これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータまたは他のプログラム可能なデータ処理装置に特定のやり方で機能するよう指示する有形のコンピュータ可読媒体に格納することができ、コンピュータ可読媒体に格納されたこれらの命令は、ブロック図および／またはフローチャートブロックまたはブロックで指定された機能／動作を実装する命令を含む製造品を生成することができる。したがって、本発明の概念の実施形態は、「回路」、「モジュール」またはその変形と総称することができる、デジタル信号プロセッサなどのプロセッサ上で動作するハードウェアおよび／またはソフトウェア（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）で実施することができる。

また、いくつかの代替実施例では、ブロックに記されている機能／動作が、フローチャートに記載された順序から外れてもよいことにも留意されたい。例えば、連続して示された二つのブロックは、実際には実質的に同時に実行されてもよく、あるいは、関連する機能／動作に応じてブロックが時々逆の順序で実行されてもよい。さらに、フローチャートおよび／またはブロック図の所与のブロックの機能性は、複数のブロックに分離されてもよく、および／またはフローチャートおよび／またはブロック図の二つ以上のブロックの機能性が少なくとも部分的に統合されてもよい。最後に、図示されたブロック間に他のブロックが追加／挿入されてもよく、および／またはブロック／動作が本発明の概念の範囲から逸脱することなく省略されてもよい。さらに、図のいくつかは、通信の主要な方向を示すために通信経路上に矢印を含むが、図示された矢印とは反対の方向に通信が行われてもよいことを理解されたい。

本発明の概念のいくつかの実施形態が前述の明細書に開示されているが、本発明の概念の多くの変更および他の実施形態が、発明の概念に関係することが想定され、前述の説明および関連する図面に提示された教示の利益を享受する。したがって、本発明の概念は、上に開示された特定の実施形態に限定されず、多くの修正および他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることが理解される。一実施形態の特徴は、本明細書に記載された異なる実施形態の特徴と組み合わせることができ、または使用することがさらに想定される。さらに、特定の用語が、本明細書および以下の特許請求の範囲で用いられているが、それらは包括的で説明的な意味でのみ使用され、記載された発明概念または以下の特許請求の範囲を限定する目的で使用されるものではない。本明細書に引用された各特許および特許公報の開示全体は、あたかもそのような各特許または特許公報が参照により個々に本明細書に組み込まれているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。本発明の概念の様々な特徴および／または潜在的な利点は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

医療処置中のロボットシステム、患者、医師、および他の医療従事者の位置のあり得る配置の俯瞰図である。 一部の実施形態による、患者に対する医療ロボットおよびカメラの位置決めを含むロボットシステムを示す。 一部の実施形態による医療ロボットシステムを示す。 いくつかの実施形態による医療ロボットの一部を示す。 いくつかの実施形態による医療ロボットのブロック図を示す。 いくつかの実施形態による医療ロボットを示す。 いくつかの実施形態によるエンドエフェクタを示す。 いくつかの実施形態によるエンドエフェクタを示す。 いくつかの実施形態によるエンドエフェクタを示す。 いくつかの実施形態によるエンドエフェクタのガイドチューブ内に医療器具を挿入する前後の医療器具およびエンドエフェクタを示す。 いくつかの実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの一部を示す。 いくつかの実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの一部を示す。 いくつかの実施形態によるエンドエフェクタおよびロボットアームの一部を示す。 いくつかの実施形態による動的基準アレイ、撮像アレイ、および他のコンポーネントを示す。 いくつかの実施形態による登録の方法を示す。 いくつかの実施形態による撮像装置の実施形態を示す。 いくつかの実施形態による撮像装置の実施形態を示す。 いくつかの実施形態による、ロボットアームとエンドエフェクタとを含むロボットの一部を示す。 エンドエフェクタの拡大図であり、図１３Ａに示すように、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定される。 いくつかの実施形態による、複数の追跡マーカーがその上にしっかりと固定されたツールまたは器具である。 第一構成の可動追跡マーカーを有するエンドエフェクタの代替バージョンである。 第二の構成の可動追跡マーカーを有する図１４Ａに示すエンドエフェクタである。 図１４Ａの第一の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。 図１４Ｂの第二の構成における追跡マーカーのテンプレートを示す。 単一の追跡マーカーのみがその上に固定されたエンドエフェクタの代替バージョンを示す。 ガイドチューブを介して配置された器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 二つの異なる位置に器具を有する図１５Ａのエンドエフェクタを示し、器具がガイドチューブ内にまたはガイドチューブの外側に配置されるかどうかを決定するための結果のロジックを示す。 図１５Ａのエンドエフェクタを示すが、器具は、二つの異なるフレームでかつガイドチューブ上の単一の追跡マーカーに対して相対的な距離でガイドチューブ内にある。 座標系に対して図１５Ａのエンドエフェクタを示す。 ロボットのエンドエフェクタを所望の標的軌道にナビゲートして移動させる方法のブロック図である。 それぞれ、収縮位置に固定マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。 それぞれ、拡張位置に可動追跡マーカーを有する拡張可能インプラントを挿入するための器具を示す。 挿入位置に固定マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。 傾斜位置に可動追跡マーカーを有する関節のあるインプラントを挿入するための器具を示す。 交換可能または代替のエンドエフェクタを含むロボットの一実施形態を示す。 器具スタイルのエンドエフェクタが結合されたロボットの実施形態を示す。 いくつかの実施形態による、ロボットコントローラを図示するブロック図である。 いくつかの実施形態による、プローブを検出し、仮想インプラントの配置を決定する追跡システムを示す。 いくつかの実施形態による、手術用ロボットナビゲーションシステムの例示的な動作を示すフローチャートである。 いくつかの実施形態による伸縮式プローブの例である。 いくつかの実施形態による伸縮式プローブの例である。 いくつかの実施形態による、追跡システムによって検出され、仮想インプラントの配置を調整するために使用され得るプローブの移動の例を図示する。 いくつかの実施形態による、追跡システムによって検出され、仮想インプラントの配置を調整するために使用され得るプローブの移動の例を図示する。 いくつかの実施形態による、追跡システムによって検出され、仮想インプラントの配置を調整するために使用され得るプローブの移動の例を図示する。 いくつかの実施形態による、追跡システムによって検出され、仮想インプラントの配置を調整するために使用され得るプローブの移動の例を図示する。

Claims (20)

1. ３次元解剖学的ボリュームに対する撮像情報を使用して画像誘導手術用システムを動作させる方法であって、前記方法が、
   患者を表す前記３次元解剖学的ボリュームと、前記解剖学的ボリュームに対するプローブのポーズに基づく仮想インプラントと、をディスプレイ装置に表示することと、
   追跡システムから受信した情報に基づいて、長手方向軸を画定するプローブの前記ポーズを前記画像誘導手術用システムのプロセッサによって検出することと、
   前記プローブの前記ポーズを検出した後、仮想インプラントの軌道が前記ポーズ中の前記プローブの長手方向軸と整列するように、前記プローブの前記ポーズに基づいて、および前記長手方向軸に沿った前記プローブの遠位端からの所定のオフセットに基づいて、前記３次元解剖学的ボリュームに対する前記仮想インプラントの配置を前記プロセッサによって決定することと、
   前記仮想インプラントの前記配置を決定した後、表示された前記軌道から前記プローブが離れて移動するに関わらず、前記仮想インプラントの前記軌道を維持しながら、前記プローブの移動に応答して、表示された前記解剖学的ボリュームに対する前記仮想インプラントの深度を前記プロセッサによって調整することと、を含む、方法。
2. 前記撮像情報に基づいて、および前記仮想インプラントの前記配置に基づいて、ディスプレイ上に表示される第一の再フォーマット画像データを前記プロセッサによって提供することであって、前記撮像情報が前記３次元解剖学的ボリュームに対する３次元解剖学的撮像情報を含む、提供することと、
   前記第一の再フォーマット画像データを提供した後、プロセッサによって前記仮想インプラントを調整することに基づいて、前記ディスプレイ上に表示される第二の再フォーマット画像データを前記プロセッサによって提供することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 調整することが、前記仮想インプラントの前記軌道を維持しながら、前記プローブの移動に応答して、および前記プローブの前記移動から分離されたユーザ入力に応答して、前記仮想インプラントを前記プロセッサによって調整することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ユーザ入力が第一のユーザ入力であり、前記方法が、
   前記プローブの前記移動から分離された第二のユーザ入力に応答して、前記仮想インプラントの前記軌道に基づいて、および前記調整することに基づいて、前記仮想インプラントに関する情報を前記プロセッサが保存することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. ロボットアクチュエータを前記プロセッサによって制御して、前記仮想インプラントに関する前記情報に基づいて、エンドエフェクタを配置することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記仮想インプラントを調整することが、前記プローブの移動に応答して、プロセッサによって前記軌道に沿って前記仮想インプラントの前記配置を移動させることを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記仮想インプラントを移動させることが、前記プローブの前記長手方向軸の周りの前記プローブの回転を検知することに応答して、前記軌道に沿って前記仮想インプラントを移動させることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記仮想インプラントを移動させることが、第一の回転方向への前記プローブの回転を検出することに応答して、前記軌道に沿って第一の方向に前記仮想インプラントを移動させ、第二の回転方向への前記プローブの回転を検出することに応答して、前記軌道に沿って第二の方向に前記仮想インプラントを移動させることを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記仮想インプラントを移動させることが、第一の方向への前記プローブの長手方向軸周りの前記プローブの回転を検出することに応答して、前記軌道に沿って前記仮想インプラントを移動させること、および前記第一の方向とは異なる第二の方向への前記プローブの長手方向軸周りの前記プローブの回転を検出することに応答して、前記仮想インプラントの位置を維持することを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記仮想インプラントを移動させることが、前記仮想インプラントの前記軌道に対して非平行な方向への前記プローブの先端の移動を検出することに応答して、前記軌道に沿って前記仮想インプラントを移動させることを含む、請求項６に記載の方法。
11. 前記仮想インプラントを移動させることが、前記仮想インプラントの前記軌道から離れる前記プローブの前記先端の移動を検出することに応答して、前記軌道に沿って第一の方向に前記仮想インプラントを移動させること、および前記軌道に向かう前記プローブの前記先端の移動を検出することに応答して、前記軌道に沿って第二の方向に前記仮想インプラントを移動させることを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記仮想インプラントを移動させることが、前記仮想インプラントの前記軌道の周りの前記プローブの先端の移動を検出することに応答して、前記軌道に沿って前記仮想インプラントを移動させることを含む、請求項６に記載の方法。
13. 前記仮想インプラントを移動させることが、前記軌道の周りでの時計回りの方向への前記プローブの前記先端の移動を検出することに応答して、前記軌道に沿って第一の方向に前記仮想インプラントを移動させること、および、前記軌道の周りでの反時計回りの方向への前記プローブの前記先端の移動を検出することに応答して、前記軌道に沿って第二の方向に前記仮想インプラントを移動させることを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記先端の移動に対する前記軌道に沿った前記仮想インプラントの移動のスケールが、前記軌道からの前記先端の距離に基づく、請求項１２に記載の方法。
15. 前記仮想インプラントを調整することが、前記仮想インプラントの前記軌道を維持しながら、前記プローブの移動に応答して、前記仮想インプラントのサイズを変更することを含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記仮想インプラントが仮想ねじを含み、前記サイズを調整することが、前記プローブの移動に応答して、前記仮想ねじの長さを変更する、および／または幅を変更することのうちの少なくとも一つを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記プローブが複数の離間した追跡マーカーを備え、前記プローブの前記ポーズを前記プロセッサによって検出することが、前記追跡システムが前記追跡マーカーを検出することに基づいて前記ポーズを検出することを含む、請求項１に記載の方法。
18. ３次元解剖学的ボリュームに対する撮像情報を使用する手術用ナビゲーションシステムであって、前記手術用ナビゲーションシステムが、
    プロセッサと、
    前記プロセッサと結合されたメモリであって、前記メモリが、その中に保存された命令を含み、前記命令が、前記プロセッサに、
    患者を表す前記３次元解剖学的ボリュームと、前記解剖学的ボリュームに対するプローブのポーズに基づく仮想インプラントと、をディスプレイ装置に表示すること、
    追跡システムから受信した情報に基づいて、長手方向軸を画定するプローブの前記ポーズを検出すること、
    前記プローブの前記ポーズを検出した後、仮想インプラントの軌道が前記ポーズにおける前記プローブの長手方向軸と整列するように、前記プローブの前記ポーズに基づいて、および前記長手方向軸に沿った前記プローブの遠位端からの所定のオフセットに基づいて、前記３次元解剖学的ボリュームに対する仮想インプラントの配置を決定すること、および、
    前記仮想インプラントの配置を提供した後、表示された前記軌道から前記プローブが離れて移動するかに関わらず、前記仮想インプラントの前記軌道を維持しながら、前記プローブの移動に応答して、表示された前記解剖学的ボリュームに対する前記仮想インプラントの深度を前記プロセッサによって調整すること、を行わせるよう前記プロセッサによって実行可能である、メモリと、を備える、システム。
19. 前記手術用ナビゲーションシステムが、画像誘導手術システムであり、前記撮像情報が３次元解剖学的撮像情報であり、前記命令が、前記プロセッサに、
    前記３次元解剖学的撮像情報に基づいて、および前記仮想インプラントの前記配置に基づいて、ディスプレイ上に表示される第一の再フォーマット画像データを提供し、そして、
    前記第一の再フォーマット画像データを提供した後、前記仮想インプラントを調整することに基づいて、前記ディスプレイ上に表示される第二の再フォーマット画像データを提供するよう前記プロセッサによってさらに実行可能である、請求項１８に記載の手術用ナビゲーションシステム。
20. 前記プロセッサに前記仮想インプラントを調整させるための前記命令が、前記プロセッサに、前記仮想インプラントの前記軌道を維持しながら、前記プローブの移動に応答して、および前記プローブの前記移動から分離されたユーザ入力に応答して、前記仮想インプラントを調整させることを含む、請求項１９に記載の手術用ナビゲーションシステム。

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